Une nouvelle technologie d’électrolyse AEM mise au point en Corée promet des coûts plus bas, des performances accrues et une durabilité au moins 10 fois supérieure à celle des membranes AEM antérieures.
L’électrolyse est un élément clé du coût de l’hydrogène vert, et une équipe coréenne affirme avoir fait une énorme percée avec une membrane échangeuse d’anions qui est non seulement beaucoup moins chère que la technologie actuelle d’échange de protons, mais qui offre des performances supérieures de 20 %.
L’électrolyse est le processus qui consiste à diviser l’eau en hydrogène et en oxygène. Alimentée par des énergies renouvelables, elle s’annonce comme une étape clé dans la production d’hydrogène vert. L’hydrogène vert est appelé à jouer un rôle important dans la course à l’absence d’émissions, grâce à sa densité énergétique élevée qui en fait une option intéressante dans plusieurs activités difficiles à décarboniser où les batteries n’ont pas de sens.
En général, les électrolyseurs utilisent des membranes échangeuses de protons (PEM : Proton Exchange Membrane), dans lesquelles une anode et une cathode dans un électrolyte sont séparées par une membrane conçue pour laisser passer les ions hydrogène chargés positivement qui sont attirés par la cathode. Ils s’y combinent avec des électrons pour former de l’hydrogène gazeux, qui est recueilli, et l’oxygène est libéré à l’anode.
Le problème ici est celui des matériaux ; l’environnement acide requis par les PEM nécessite généralement des métaux coûteux comme le platine, le ruthénium ou l’iridium dans leurs électrodes, ainsi que du titane dans leurs plaques séparatrices.
Une autre technologie d’électrolyse faisant l’objet de recherches est celle des membranes échangeuses d’anions (AEMs : anion exchange membranes), dans laquelle la membrane de séparation laisse passer les ions OH- chargés négativement. Ceux-ci sont attirés vers l’anode, où ils se combinent pour former des molécules d’oxygène et d’eau, tandis que les atomes d’hydrogène gravitent vers la cathode pour être recueillis sous forme de gaz H2.
Les AEMs peuvent fonctionner dans des conditions alcalines et n’ont donc pas besoin de métaux nobles sophistiqués. Les matériaux utilisés sont donc 3 000 fois moins chers. Technologie relativement jeune, les AEMs n’ont pas connu de succès commercial dans l’électrolyse de l’hydrogène, car ils ne sont pas aussi performants et ne durent pas aussi longtemps.
L’électrolyse est un élément clé du coût de l’hydrogène vert et une cible pour l’innovation.
Aujourd’hui, une équipe de l’Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST) affirme avoir testé un nouvel ensemble membrane-électrode dont les performances sont six fois supérieures à celles des anciens AEM et dont la durée de vie est au moins dix fois supérieure. Qui plus est, il présente même un avantage de 20 % sur la technologie PEM actuelle.
« L’équipe de recherche a mis au point des matériaux d’échange d’anions à base de poly(fluorényl-co-aryl pipéridinium) (PFAP) (membrane électrolyte et liant d’électrode) présentant une conductivité ionique et une durabilité élevées dans des conditions alcalines en augmentant la surface spécifique au sein de la structure et, sur la base de cette technologie, un assemblage membrane-électrode a été développé », peut-on lire dans un communiqué de presse. « Le matériau développé a représenté une excellente durabilité de plus de 1 000 h de fonctionnement et a atteint une nouvelle performance de cellule record de 7,68 A/cm2. Cela représente environ six fois la performance des matériaux échangeurs d’anions existants et environ 1,2 fois celle de la coûteuse technologie commerciale PEMWE (6 A/cm2). »
Dans quelle mesure cette technologie pourrait-elle contribuer à réduire le prix de l’hydrogène vert ? Il est difficile de trouver des réponses définitives ; les prix de l’énergie verte peuvent fluctuer considérablement d’une région à l’autre et il existe de nombreuses technologies PEM différentes dont le prix varie également.
Mais l’Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA) a tenté d’établir une moyenne dans son rapport sur la réduction des coûts de l’hydrogène vert en 2020. À l’échelle du mégawatt, indique le rapport, « pour le cœur de la pile, la membrane recouverte d’un catalyseur, les métaux rares représentent une part importante du coût. Placés dans leur contexte, ils représentent toutefois moins de 10 % du coût d’un système complet d’électrolyse PEM. »
La ventilation des coûts de l’IRENA sur les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons semble montrer que les métaux rares ne représentent pas un point de coût énorme.
Ainsi, l’IRENA ne considère pas les métaux eux-mêmes comme un objectif de réduction des coûts extrêmement prometteur, bien que le rapport ajoute que « pour l’iridium en particulier, ils pourraient représenter un goulot d’étranglement pour l’augmentation de la fabrication des électrolyseurs PEM, en l’absence d’une augmentation significative de l’approvisionnement en iridium ».
En outre, le rapport souligne que les électrolyseurs PEM durent généralement environ 50 000 heures, soit 5,7 ans. Ainsi, si l’équipe du KIST semble avoir réalisé une avancée considérable par rapport à la durée de vie de 100 heures des électrolyseurs AEM existants, elle n’a pas encore démontré une durabilité égale ou supérieure à celle des PEM actuels. Et même si le matériau en est capable, il faudra encore cinq ans et quelques sur le banc d’essai pour le prouver. C’est un obstacle de taille.
Néanmoins, le nouveau matériau de membrane pourrait trouver d’autres utilisations dans l’intervalle.
« Le matériau mis au point », explique le professeur Young Moo Lee de l’université de Hanyang, « a un fort potentiel d’application en tant que matériau de base non seulement pour l’électrolyse de l’eau, mais aussi pour les piles à combustible à hydrogène, l’utilisation du captage du carbone et les piles à combustible à ammoniac direct, qui constituent l’industrie de l’hydrogène de la prochaine génération. »
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/EE/D1EE02642A
https://www.eurekalert.org/news-releases/941661
