De l'hydrogène vert à prix cassé grâce à l'électrolyse capillaire ?

A partir des recherches de l’université australienne de Wollongong, la société Hysata développe un électrolyseur qui se démarque par son rendement de 95-98 %. De quoi permettre de délivrer à horizon 2025 de l’ hydrogène vert à 1,35 dollar du kilo.
 
L’article publié le 15 mars dernier dans la revue scientifique Nature Communications indique que la cellule d’électrolyse capillaire que produira Hysata « peut produire de l’hydrogène vert à partir de l’eau avec une efficacité énergétique de 98 % ». Pour comparaison, les électrolyses alcalines et PEM affichent des rendements bien moindres, compris entre 50 et 75 %.

Pour accrocher les 90 %, une des pistes les plus sérieuses, notamment choisie en France par Genvia, est l’électrolyse à haute température. Cette dernière suppose toutefois, pour obtenir les meilleures performances, un couplage avec un processus industriel capable de fournir de la chaleur fatale autrement perdue. Quelle que soit leur technologie, les investissements pour construire un électrolyseur, et plus encore pour l’installation fournissant l’électricité décarbonée, sont importants.


 

Réduire les besoins en électricité

Hysata partage avec Genvia une certitude : C’est en diminuant aussi et surtout les besoins en énergie électrique qu’il sera possible de faire baisser au mieux le prix du kg d’hydrogène vert. Car dans un électrolyseur, c’est l’électricité qui pèse le plus lourd sur le coût de production.

Avec les meilleurs électrolyseurs PEM dotés d’une efficacité énergétique de 75 %, il faudrait, selon les chiffres communiqués par la jeune entreprise australienne, 52,5 kWh d’électricité pour obtenir un kg d’hydrogène vert. Contre 41,5 kWh/kg avec l’électrolyse capillaire en se limitant au rendement bas de 95 % (0,8 A cm−2). Dans le premier cas, il faudrait une capacité de 14 GW en énergies renouvelables pour obtenir à l’année un million de tonnes d’hydrogène vert. Avec la solution que développe Hysata, le besoin tombe à 11 GW. La startup évalue l’économie ainsi réalisée à 3 milliards de dollars américains, en prenant comme référence un coût moyen d’investissement des énergies renouvelables à 1 000 dollars USD le kilowatt installé.
 

Electrolyse capillaire

L’Agence internationale pour les énergies renouvelables (Irena) a fixé un objectif inférieur à 42 kWh/kg à échéance 2050 pour la consommation d’énergie des cellules d’électrolyseur. La découverte de l’université australienne de Wollongong permet d’obtenir un résultat déjà inférieur pour une technologie qui pourrait être exploitable commercialement dès 2025 à relativement grande échelle.

Cette consommation peut même descendre à 40,4 kWh/kg dans les meilleures conditions avec un rendement de 98 % (0,5 A cm−2). Hysata ne cache pas que sa solution s’appuie sur la technologie déjà évoluée des électrolyseurs asymétriques à membrane électrolytique polymère (PEM). Cette dernière se distingue par une production directe de l’hydrogène dans une chambre de collecte, sans bouillonnement à travers l’électrolyte liquide. Avec l’électrolyse capillaire, c’est en plus aussi le cas pour l’oxygène.



Dans la solution découverte par les chercheurs de l’université de Wollongong, l’électrolyte aqueux (hydroxyde de potassium à 27 % du poids) est contenu dans un réservoir situé au fond de la cellule. Il est aspiré en continu par effet capillaire au sein du séparateur en polyéther sulfone saturé à faible résistance ionique. Poreux, hydrophile et placé entre les électrodes, ce dernier maintient le débit nécessaire à l’électrolyse de l’eau sans bulles. Il achemine l’électrolyte pour en recouvrir d’une toute fine couche l’anode et la cathode. Pour craquer l’eau en hydrogène et oxygène, il suffit d’appliquer entre les électrodes une tension de 1,51 V. Pour comparaison, cette dernière peut monter jusqu'à 2,5 V avec des cellules PEM et 3 V avec les alcalines. L’opération se déroule à une température de 80-85° C, sans besoin de refroidissement liquide. Un système par air ou l’auto-refroidissement par rayonnement serait suffisant.


 

Technologie modulaire

La capillarité peut s’exercer jusqu’à une hauteur de 18 cm à 80° C, contre 15 cm à température ambiante. Le document précise qu’en plaçant le réservoir au-dessus du système, la recherche d’une hauteur optimale pourrait devenir inutile. Toutefois, Hysata envisage de fournir des solutions clé en main qui s’appuient toutes sur des blocs modulaires. Et ce, depuis des installations de l’ordre du mégawatt jusqu’à celles d’une capacité calculée en dizaines de gigawatts.

Soutenue par des investisseurs mondiaux importants tels IP Group et Clean Energy Finance Corporation, l’équipe fondatrice d’Hysata compte des anciens de l’industrie des électrolyseurs classiques. Elle développe actuellement son effectif avec des ingénieurs, agents de fabrication et commerciaux présents dans plusieurs continents.