L'hydrogène est de plus en plus reconnu comme un élément clé de la durabilité énergétique future, offrant le potentiel d'une réduction drastique des émissions de gaz à effet de serre. Sa capacité à ne libérer que de l'eau comme source d'énergie, sans composés carbonés nocifs, le place au centre des efforts mondiaux de décarbonisation. Malgré ces propriétés remarquables, les méthodes dominantes de production d'hydrogène reposent aujourd'hui largement sur les combustibles fossiles, grevant ainsi l'ensemble du cycle de vie de ce vecteur énergétique d'une dette écologique importante. Ce paradoxe de la production « sale » d'un combustible « propre » représente l'un des principaux obstacles sur la voie d'une économie de l'hydrogène véritablement verte.

Approche innovante de la production d'hydrogène du MIT

De récentes percées scientifiques offrent une lumière au bout du tunnel. Une équipe d'experts du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a présenté un processus révolutionnaire qui pourrait changer fondamentalement la façon dont nous produisons de l'hydrogène, en réduisant considérablement son empreinte carbone. Leur méthode, qui a attiré l'attention de la communauté scientifique et de l'industrie, utilise des matériaux facilement disponibles : de l'eau de mer et des canettes d'aluminium recyclées, avec l'ajout d'une petite quantité d'un alliage métallique spécifique. L'année dernière, les chercheurs ont démontré le concept de base à l'échelle du laboratoire, montrant qu'il est possible de générer de l'hydrogène gazeux en combinant ces composants, incluant même de la caféine dans certaines expériences préliminaires pour étudier l'impact de différentes substances. Cependant, la question clé qui s'est alors posée était de savoir si cette procédure prometteuse pouvait être efficacement transférée des conditions de laboratoire à l'échelle industrielle et quel serait son impact environnemental réel lorsque toutes les étapes de production et de distribution seraient prises en compte.

Pour répondre à ces questions critiques, les scientifiques ont mené une analyse complète du cycle de vie (ACV), une méthodologie qui évalue les impacts environnementaux d'un produit ou d'un processus « du berceau à la tombe ». Cette étude détaillée a couvert chaque segment du processus dans une application industrielle potentielle. Les émissions de carbone associées à l'approvisionnement et au traitement de l'aluminium, à la réaction chimique de l'aluminium avec l'eau de mer pour produire de l'hydrogène, et au transport du combustible produit vers les utilisateurs finaux, par exemple, vers les stations-service où les conducteurs pourraient faire le plein de leurs voitures à hydrogène, ont été calculées avec précision. Les résultats ont montré que cette nouvelle approche ne pourrait générer qu'une fraction des émissions de carbone caractéristiques des méthodes conventionnelles de production d'hydrogène à base de combustibles fossiles.

Empreinte carbone minimale confirmée par une étude

Dans l'étude, dont les résultats ont été récemment publiés dans la prestigieuse revue Cell Reports Sustainability, l'équipe a rapporté que pour chaque kilogramme d'hydrogène produit par ce processus, seulement 1,45 kilogramme de dioxyde de carbone serait généré tout au long du cycle de vie. Ce chiffre devient particulièrement impressionnant lorsqu'on le compare aux méthodes traditionnelles, telles que le reformage du méthane à la vapeur, qui émettent environ 11 kilogrammes de dioxyde de carbone pour chaque kilogramme d'hydrogène obtenu. Une empreinte carbone aussi faible place la nouvelle technologie aux côtés d'autres méthodes de production d'hydrogène « vert » proposées, telles que l'électrolyse de l'eau alimentée par l'énergie solaire ou éolienne, la positionnant comme un concurrent sérieux dans la course à la production durable d'hydrogène.

« Nos résultats montrent que nous sommes à égalité avec les technologies existantes de l'hydrogène vert », a déclaré l'auteur principal de l'étude, le Dr Aly Kombargi, qui a récemment obtenu son doctorat au MIT en génie mécanique. « Ce travail met en évidence l'énorme potentiel de l'aluminium en tant que source d'énergie propre et offre une voie évolutive pour la mise en œuvre de l'hydrogène à faibles émissions dans le secteur des transports et pour l'alimentation des systèmes énergétiques distants. » Aux côtés du Dr Kombargi, les co-auteurs de l'étude du MIT comprennent Brooke Bao, Enoch Ellis et le professeur de génie mécanique Douglas Hart, dont l'expertise a contribué au développement et à l'évaluation de ce processus innovant.

La science derrière le processus : Comment l'aluminium libère l'hydrogène

À première vue, immerger une canette d'aluminium dans l'eau ne provoque pas de réaction chimique vigoureuse. La raison en est que l'aluminium, lorsqu'il est exposé à l'oxygène de l'air, forme instantanément une fine couche protectrice d'oxyde d'aluminium très résistante. Cette couche de passivation empêche toute réaction ultérieure du métal. Cependant, si cette couche était enlevée ou percée, l'aluminium pur présente une réactivité exceptionnelle avec l'eau. Dans de telles conditions, les atomes d'aluminium décomposent efficacement les molécules d'eau (H₂O), formant de l'oxyde d'aluminium (ou ses formes hydratées telles que la boehmite) et, surtout, libérant de l'hydrogène gazeux pur (H₂). Un avantage significatif de l'utilisation de l'aluminium réside dans sa haute densité énergétique.

« L'un des principaux avantages de l'utilisation de l'aluminium est sa densité énergétique par unité de volume », explique le Dr Kombargi. « Avec une très petite quantité de combustible d'aluminium, il est théoriquement possible de fournir une partie importante de l'énergie nécessaire pour propulser un véhicule à hydrogène. »

Méthode innovante d'activation de l'aluminium

Au cours de l'année écoulée, le Dr Kombargi et le professeur Hart ont perfectionné une recette de production d'hydrogène à base d'aluminium. La clé de leur succès réside dans la méthode de rupture de la couche protectrice naturelle de l'aluminium. Ils ont découvert qu'en traitant l'aluminium avec une petite quantité de gallium-indium, un alliage contenant les métaux rares gallium et indium, ils pouvaient efficacement « nettoyer » la surface de l'aluminium, exposant le métal pur. Après un tel traitement, les chercheurs ont mélangé des pastilles d'aluminium ainsi préparé avec de l'eau de mer et ont observé une production immédiate et abondante d'hydrogène pur. De plus, il a été démontré que la présence de sel dans l'eau de mer aide à la précipitation et à la séparation du gallium-indium après la réaction. Cela signifie que cet alliage précieux peut être collecté et réutilisé dans les cycles de production d'hydrogène ultérieurs, rendant le processus non seulement plus durable mais aussi plus économiquement viable en raison de la consommation réduite de métaux coûteux.

« Lorsque nous présentions la base scientifique de ce processus lors de conférences, les questions les plus fréquentes que nous recevions concernaient le coût et l'empreinte carbone », se souvient le Dr Kombargi. « Nous avons donc décidé de mener une analyse complète pour avoir une image claire. »

Cycle durable et perspective économique

Dans leur nouvelle étude, le Dr Kombargi et ses collègues ont mené une analyse détaillée du cycle de vie pour quantifier l'impact environnemental de la production d'hydrogène à l'aide d'aluminium, en suivant chaque étape – de la source d'aluminium au transport du produit final, l'hydrogène. Pour une illustration pratique et une comparaison, ils ont choisi la production d'un kilogramme d'hydrogène comme unité de référence. « Avec un kilogramme d'hydrogène, une voiture à pile à combustible peut parcourir entre 60 et 100 kilomètres, en fonction de l'efficacité des piles à combustible elles-mêmes », note le Dr Kombargi, soulignant la pertinence pratique de cette quantité.

L'analyse a été menée à l'aide d'un outil logiciel spécialisé, Earthster, une plateforme en ligne d'évaluation du cycle de vie qui utilise une vaste base de données de produits, de processus et de leurs émissions de carbone associées. L'équipe a examiné plusieurs scénarios différents pour la production d'hydrogène à l'aide d'aluminium. Ils ont comparé l'utilisation d'aluminium « primaire », obtenu par l'extraction de bauxite et un traitement énergivore, à l'utilisation d'aluminium « secondaire », obtenu par le recyclage de déchets d'aluminium tels que les canettes. Ils ont également analysé différentes méthodes de transport de l'aluminium et de l'hydrogène produit.

Après avoir évalué une douzaine de scénarios différents, celui ayant la plus faible empreinte carbone a été identifié. Ce scénario optimal repose sur l'utilisation d'aluminium recyclé – une matière première dont l'utilisation réduit considérablement les émissions par rapport à la production d'aluminium primaire – et d'eau de mer, une ressource naturelle qui, en plus d'être facilement disponible, permet également une séparation et un recyclage efficaces du gallium-indium, économisant ainsi les ressources et réduisant les coûts. Il a été constaté que ce scénario, considéré dans son intégralité, de l'approvisionnement en matières premières à la livraison de l'hydrogène, générerait environ 1,45 kilogramme de dioxyde de carbone par kilogramme d'hydrogène produit. Ils ont également calculé que le prix du combustible ainsi produit serait d'environ 9 dollars américains par kilogramme, ce qui est compétitif par rapport aux prix de l'hydrogène qui serait produit par d'autres technologies vertes, telles que celles utilisant l'énergie éolienne ou solaire.

Vision pour une application commerciale et développement ultérieur

Les chercheurs prédisent que si ce processus à faible teneur en carbone est porté à un niveau commercial, la chaîne de production pourrait ressembler à ceci : elle commencerait par la collecte d'aluminium usagé dans les centres de recyclage. Cet aluminium serait ensuite broyé en petites pastilles et traité avec un alliage de gallium-indium. L'un des avantages significatifs est que les conducteurs ou les distributeurs pourraient transporter ces pastilles d'aluminium prétraitées comme du « carburant d'aluminium », au lieu de transporter directement de l'hydrogène, qui, en tant que gaz, est volatil, nécessite des réservoirs spéciaux à haute pression ou des conditions cryogéniques, et est potentiellement dangereux à manipuler. Ces pastilles seraient transportées vers des « stations d'hydrogène » idéalement situées à proximité d'une source d'eau de mer. Dans ces stations, les pastilles d'aluminium seraient mélangées à de l'eau de mer selon les besoins, générant de l'hydrogène sur place. L'utilisateur final pourrait alors directement pomper le gaz produit dans son véhicule, qu'il s'agisse d'une voiture à moteur à combustion interne adaptée à l'hydrogène ou d'un véhicule à pile à combustible.

L'ensemble du processus génère également un sous-produit à base d'aluminium, la boehmite minérale (oxyhydroxyde d'aluminium, γ-AlO(OH)). La boehmite est une matière première industrielle précieuse souvent utilisée dans la production de semi-conducteurs, de composants électroniques, de catalyseurs, de matériaux réfractaires et comme charge dans les plastiques et le caoutchouc. Le Dr Kombargi souligne que si ce sous-produit était collecté après la production d'hydrogène, il pourrait être vendu aux fabricants de ces matériaux, réduisant ainsi davantage les coûts globaux du processus de production d'hydrogène et augmentant sa durabilité économique.

« Il y a de nombreux aspects à prendre en compte », déclare le Dr Kombargi. « Mais la partie la plus excitante est que le processus fonctionne. Et nous avons montré qu'il peut être écologiquement durable. »

Le groupe de scientifiques poursuit le développement et le perfectionnement de ce processus. Ils ont récemment conçu un petit réacteur portable, de la taille d'une bouteille d'eau, qui utilise des pastilles d'aluminium et de l'eau de mer pour générer de l'hydrogène. La quantité d'hydrogène produite est suffisante pour alimenter un vélo électrique pendant plusieurs heures. Ils ont déjà démontré que le processus peut produire suffisamment d'hydrogène pour alimenter une petite voiture. L'équipe explore également activement les possibilités d'application de cette technologie sous l'eau, en travaillant sur la conception d'un réacteur à hydrogène qui utiliserait l'eau de mer environnante pour alimenter de petits navires ou des véhicules sous-marins, ouvrant de nouveaux horizons pour les opérations sous-marines autonomes. Cette recherche est partiellement soutenue par le MIT Portugal Program, une initiative qui encourage la collaboration et l'innovation.

Source : Massachusetts Institute of Technology