Les énergies renouvelables fournissent une part croissante des besoins énergétiques mondiaux. Le solaire est en passe de devenir la plus grande source de capacité énergétique au monde dans les cinq prochaines années, selon Chiffres de l’Agence internationale de l’énergie. Et bien qu’il y ait beaucoup à célébrer, des problèmes subsistent dans la transition mondiale vers l’énergie verte. Mais une pensée intelligente – telle qu’une puce à hydrogène conçue par des chercheurs américains à haute performance – pourrait éliminer certains de ces obstacles technologiques.
On ne peut pas compter sur les sources d’énergie propres populaires telles que l’éolien et le solaire pour fournir un approvisionnement continu en électricité. De plus, pendant les périodes de pointe de production, la puissance fournie par les ensembles de turbines et de panneaux photovoltaïques peut dépasser la demande. Les configurations nécessitent une sorte de mécanisme de stockage pour contourner les inadéquations entre l’offre et la demande, et pour lisser l’apport d’énergie verte au réseau électrique.
Solutions de stockage
Les piles sont une option. Mais il existe des contraintes d’approvisionnement sur certains des matériaux clés nécessaires (tels que le lithium, le nickel de haute qualité et le cobalt) pour les construire. Et en période de pointe, même un large éventail de batteries ne suffirait pas à alimenter les villes longtemps. Le stockage d’énergie hydraulique par pompage (PHES) est un moyen de résoudre ce problème – en utilisant l’électricité verte excédentaire pour remplir d’eau les barrages à haute altitude.
Lorsque le soleil cesse de briller ou que le vent cesse de souffler, des vannes peuvent être ouvertes pour permettre à l’eau qui a été élevée dans un barrage de s’écouler et d’entraîner des turbines génératrices d’électricité. Les installations PHES excellent dans le stockage d’énergie à long terme. Et il peut être surprenant d’apprendre que 96 % de la capacité mondiale de stockage d’électricité est fournie par l’hydroélectricité – éclipsant la contribution apportée par les batteries.
Les pays relient leurs réseaux énergétiques – par exemple, le Royaume-Uni a des interconnexions électriques avec plusieurs pays européens et bénéficie du PHES norvégien grâce à un câble électrique sous-marin de 724 km. De tels projets sont des entreprises d’ingénierie majeures – de la soumission de la demande à la mise en service, la liaison Royaume-Uni-Norvège a mis huit ans à se réaliser et a coûté 1,6 milliard d’euros.
Les ingénieurs envisagent une gamme d’options, y compris des approches chimiques pour le stockage de l’énergie verte, ce qui nous amène à la puce à hydrogène intelligente mentionnée au début de l’article. L’hydrogène est « le carburant du futur » depuis plus d’un siècle. Mais aujourd’hui, il est urgent de mettre sur le marché de l’hydrogène à combustion propre pour répondre engagements net zéro.
La lumière du soleil en gaz
Une grande partie de la discussion porte sur l’utilisation de l’énergie renouvelable pour créer de l’hydrogène à partir de l’eau par électrolyse – une autre façon de capitaliser sur l’énergie excédentaire. Les pays à fort potentiel solaire pourraient stocker leur soleil sous forme d’hydrogène et l’expédier aux clients vivant dans des endroits plus sombres. Cependant, l’hydrogène est un gaz délicat à stocker, en particulier sur de longues périodes.
La compression de l’hydrogène gazeux coûte cher et de petits atomes d’hydrogène peuvent pénétrer dans les métaux solides, provoquant la fissuration des matériaux. Une voie plus intéressante consiste à utiliser l’ammoniac (une molécule composée d’azote et d’hydrogène) comme support d’hydrogène plus facile à stocker. Pendant des décennies, l’ammoniac a été synthétisé à l’aide du procédé Haber-Bosch, qui nécessite beaucoup de chaleur, de pression et la combustion de combustibles fossiles – un casse-tête considérable lorsqu’il s’agit de respecter les engagements nets zéro.
Mais l’ammoniac peut être fabriqué à partir de sources renouvelables, comme l’ont démontré des efforts récents. Siemens a ouvert une usine pilote dans l’Oxfordshire, au Royaume-Unipour explorer la faisabilité industrielle de l’ammoniac dit vert. Mais l’une des pièces manquantes du puzzle a été de trouver un moyen abordable de libérer (ou de séparer) l’hydrogène de l’ammoniac au moment d’utiliser le gaz.
Conception de puces à hydrogène
Les scientifiques ont montré que l’utilisation d’un catalyseur au ruthénium peut aider à abaisser les températures de réaction. Mais le ruthénium – un métal de transition rare dans le groupe du platine du tableau périodique – n’est pas bon marché. À la recherche d’une approche alternative, l’équipe américaine à l’origine de la puce à hydrogène s’est rendu compte que la nanotechnologie pourrait fournir la réponse.
Leur conception, affinée grâce à des ressources de calcul hautes performances baptisées TIGRESS (l’infrastructure Terascale pour la recherche révolutionnaire en ingénierie et science), peut extraire l’hydrogène de l’ammoniac en utilisant uniquement la lumière des LED à faible consommation d’énergie. De plus, l’appareil fonctionne à température ambiante sans chauffage supplémentaire grâce aux propriétés plasmoniques de minuscules structures en cuivre qui se comportent comme des antennes miniatures.
“Nous entendons beaucoup parler de l’hydrogène comme carburant propre par excellence, si seulement il était moins cher et facile à stocker et à récupérer pour être utilisé”, a déclaré Naomi Halasl’un des chercheurs à l’origine de la conception à base de LED. “Ce résultat démontre que nous nous dirigeons rapidement vers cet objectif, avec une nouvelle façon simplifiée de libérer de l’hydrogène à la demande à partir d’un support de stockage d’hydrogène pratique utilisant des matériaux abondants sur terre et la percée technologique de l’éclairage à semi-conducteurs.”