Produire de l'hydrogène à partir de l'humidité de l'air, c'est possible !

Produire de l'hydrogène à partir de l'humidité de l'air, c'est possible !
Une équipe de chercheur de l’EPFL a mis au point un système permettant d’obtenir de l’hydrogène à partir de l’humidité contenu dans l’air ambiant et en exploitant la lumière du soleil. Un peu à la manière de la photosynthèse réalisée par les plantes.
 
Un des crédos des scientifiques dirigés par Kevin Sivula, du laboratoire d’ingénierie moléculaire des nanomatériaux optoélectroniques de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, est qu’une société durable nécessite le développement de nouvelles manières de stocker les énergies renouvelables sous une forme chimique. Et ce, aussi bien pour la mobilité que pour l’industrie.
 
« La lumière du jour est la forme la plus abondante d’énergie renouvelable, et nous nous efforçons de développer des manières économiquement viables pour produire des carburants solaires », explique-t-il. Nous avons sans doute tous souvenir d’avoir découvert au collège ou au lycée le principe de la photosynthèse. Il s’agit de la capacité qu’ont les plantes à convertir en énergie chimique la lumière du jour en exploitant le dioxyde de carbone contenu dans l’air ambiant. « Dans les grandes lignes, les plantes récoltent le CO2 et l’eau de leur environnement puis, grâce à l’impulsion énergétique de la lumière solaire, convertissent ces molécules en sucres et en amidon », précise le rédacteur principal de l’étude publiée dans la revue scientifique Advanced Materials.
 
Avec ses équipes du laboratoire d’ingénierie moléculaire des nanomatériaux optoélectroniques de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, Kevin Sivula a mis au point un dispositif de production d'hydrogène révolutionnaire
 

Une combinaison de 2 technologies

Pour reproduire le principe de la photosynthèse, les chercheurs de l’EPFL ont tout simplement créé une feuille artificielle solaire. Transparente, poreuse et conductrice, elle se présente sous la forme d’une électrode de diffusion de gaz. C’est elle qui permet de transformer en hydrogène l’eau présente dans l’air à l’état gazeux, en exploitant la lumière naturelle. La porosité sert à maximiser le contact avec l’humidité ambiante. La transparence a pour rôle d’optimiser l’exposition au soleil du matériau semi-conducteur.
 
Kevin Sivula avait déjà démontré que l’on peut réaliser une photosynthèse artificielle en générant de l’hydrogène à partir d’eau et de lumière solaire avec une cellule photoélectrochimique (PEC). Pouvant stimuler un matériau photosensible, par exemple un semi-conducteur, il fallait jusque-là immerger cette dernière dans une solution liquide pour quelle fonctionne, avec comme contrainte de ne pas pouvoir la produire en large surface. Le scientifique a adapté son principe pour développer son électrode à diffusion de gaz. Opaque jusque-là, cette dernière était incompatible avec la technologie solaire PEC.


 

Réalisation du concept

Dans une vidéo d’un peu moins de 5 minutes réalisée en anglais, les grandes étapes de la réalisation de l’électrode transparente à diffusion de gaz sont expliquées.
 
Le matériau de base, c’est une sorte de laine de verre, composée principalement de fibres de quartz (ou oxyde de silicium). Il est introduit sous la forme de gros chamallows dans un mixer de cuisine, avec une solution liquide. Une fois le tout haché menu, et après filtrage, les fibres sont assemblées en galette de feutre, par fusion à haute température, puis revêtues d’un film transparent d’oxyde d’étain augmenté au fluor. Ce dernier a été choisi pour son excellente conductivité, sa robustesse et la facilité avec laquelle il peut être produit à grande échelle.
 
Il ressort de ces opérations cette plaque transparente, poreuse et conductrice capable de retenir au mieux les molécules d’eau présentes dans l’air ambiant et de laisser passer les photons. Elle est alors recouverte d’un fin film de matériaux semi-conducteurs qui absorbent la lumière, bien qu’il semble opaque. La plaquette est ainsi déjà opérationnelle en l’exposant au soleil. Pour récupérer l’hydrogène, elle a été intégrée à un boîtier, avec, derrière elle, une membrane de filtrage du gaz.
 

 

Projet européen Sun-to-X avec Toyota

Très concerné par la mobilité hydrogène, Toyota Motor Europe s’est associé aux travaux de l’EPFL. Quelle est l’efficacité de conversion de ce démonstrateur ? Elle n’a pas encore été mesurée finement. Mais l’équipe de scientifiques l’imagine, avec les matériaux actuellement retenus, aux alentours des 12 %. C’est moins que les 19 % des cellules PEC qui fonctionnent en les plongeant dans l’eau.
 
Cette valeur semble pouvoir être améliorée avec la poursuite des recherches qui visent à trouver la taille idéale des fibres, la meilleure largeur des pores, et les matériaux semi-conducteurs et de membrane les plus performants. Tout ce travail est réalisé dans le cadre du projet européen Sun-to-X, en se focalisant sur le développement de nouvelles manières de convertir l’hydrogène en carburants liquides.


 

Environ 10 ans avant une diffusion commerciale

Il faudrait toutefois parvenir à améliorer l’efficacité du système tout en conservant la facilité et la simplicité avec lesquelles il peut être déjà aujourd’hui fabriqué et mis en œuvre à grande échelle. A tel point que le prototype a pu être réalisé entièrement, étape par étape, par les chercheurs de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne qui ont mis en place les procédures adéquates.
 
Une dizaine d’années serait nécessaire pour parvenir à un système commercialisable. Installé par exemple sur les toits des bâtiments dans des zones humides et ensoleillées à travers le monde, il excellerait pour produire de l’ hydrogène vert à un coût particulièrement bas.
 
Et pourquoi pas associer le principe à des dispositifs de déshumidification de l’air là où c’est nécessaire ? En exploitant des ressources abondantes, disponibles autour de soi, et gratuites, l’argument du relativement faible rendement de la production d’hydrogène ne tient plus.



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