Habituellement, lorsque nous pensons à la production d’énergie en mer, nous imaginons des plates-formes géantes, ou peut-être des rangées d’éoliennes. Récemment, cependant, des panneaux solaires flottants ont été ajoutés, y compris un parc solaire de la taille de 160 terrains de football mis en service en Chine l'année dernière.
À présent, une équipe de chercheurs de l’Université de Columbia souhaite aller plus loin. Ils disent qu'il est possible d'utiliser des panneaux solaires à la surface de l'océan pour alimenter des appareils capables de produire de l'hydrogène à partir de l'eau de mer.
L'hydrogène est une forme d'énergie propre, mais il est le plus souvent produit à partir de gaz naturel dans le cadre d'un processus qui libère également du dioxyde de carbone, un facteur clé du changement climatique. Les scientifiques de Columbia déclarent que leur dispositif, appelé électrolyseur photovoltaïque flottant, élimine cette conséquence en utilisant plutôt l’électrolyse pour séparer l’oxygène et l’hydrogène en molécules d’eau, puis en stockant cette dernière comme carburant.
Le chef d’équipe, Daniel Esposito, professeur assistant en génie chimique, souligne que l’utilisation d’électrolyseurs commerciaux existants pour générer de l’hydrogène coûte très cher. «Si vous utilisez des panneaux solaires standard et des électrolyseurs disponibles dans le commerce, et que vous utilisez la lumière du soleil pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène, le coût sera de trois à six fois supérieur à celui obtenu si vous produisiez de l'hydrogène à partir de gaz naturel», il dit.
Il note également que ces électrolyseurs ont besoin de membranes pour maintenir les molécules d'oxygène et d'hydrogène séparées une fois qu'elles sont séparées. Cela non seulement augmente le coût, mais ces pièces auraient tendance à se dégrader rapidement lorsqu'elles sont exposées aux contaminants et aux microbes présents dans l'eau salée.
"Pouvoir démontrer en toute sécurité un dispositif capable d'effectuer l'électrolyse sans membrane nous rapproche encore de la possibilité de rendre l'électrolyse de l'eau de mer possible", a déclaré Jack Davis, chercheur et principal auteur de l'étude de validation. "Ces générateurs de combustible solaire sont essentiellement des systèmes de photosynthèse artificiels, faisant la même chose que les usines avec la photosynthèse, de sorte que notre appareil peut offrir toutes sortes d'opportunités de générer de l'énergie propre et renouvelable."
Deux électrodes maillées sont maintenues à une distance de séparation étroite (L) et génèrent des gaz H2 et O2 simultanément. La principale innovation est le placement asymétrique du catalyseur sur les surfaces extérieures du maillage, de sorte que la génération de bulles est limitée à cette région. Lorsque les bulles de gaz se détachent, leur flottabilité les fait flotter vers le haut dans des chambres de collecte séparées. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Bouillonnant
Alors, qu'est-ce qui distingue leur électrolyseur?
Le dispositif est construit autour d'électrodes en titane maillonnées en suspension dans l'eau et séparées par une petite distance. Lorsqu'un courant électrique est appliqué, les molécules d'oxygène et d'hydrogène se séparent, le premier développant des bulles de gaz sur l'électrode chargée positivement, et le dernier faisant de même avec celui à charge négative.
Il est essentiel de garder ces différentes bulles de gaz séparées, et l'électrolyseur Columbia le fait en appliquant un catalyseur sur un seul côté de chaque composant du maillage, la surface la plus éloignée de l'autre électrode. Lorsque les bulles grossissent et se détachent du maillage, elles flottent le long des bords extérieurs de chaque électrode au lieu de se mélanger dans l’espace qui les sépare.
Les scientifiques ont non seulement évité d'utiliser des membranes coûteuses, mais ils n'ont pas non plus besoin d'intégrer les pompes mécaniques utilisées par certains modèles pour déplacer les liquides. Au lieu de cela, leur dispositif repose sur la flottabilité pour faire flotter les bulles d'hydrogène dans une chambre de stockage. En laboratoire, le processus a permis de produire du gaz hydrogène avec une pureté de 99%.
Alexander Orlov, professeur agrégé en science des matériaux et en génie chimique à la Stony Brook University de New York, reconnaît que l'élimination des membranes est un développement "substantiel". "Les membranes sont des points faibles de la technologie", dit-il. "Il existe des solutions plus sophistiquées, mais l'approche d'Esposito est extrêmement simple et très pratique. Elle a été publiée et évaluée par des pairs dans des publications à fort impact. Ainsi, malgré sa simplicité, la science et la nouveauté sont solides."
Penser grand
Esposito et Davis reconnaissent volontiers qu’il s’agit d’un grand pas en avant entre le petit modèle mis à l’essai dans leur laboratoire et le type massif de structure susceptible de rendre le concept économiquement viable. Des centaines de milliers d'électrolyseurs connectés pourraient être nécessaires pour générer une quantité suffisante d'hydrogène à partir de la mer.
En fait, explique Esposito, il pourrait être nécessaire de modifier la conception à mesure que le projet évolue et devient de plus en plus modulaire. Ainsi, de nombreuses pièces peuvent être assemblées pour couvrir une grande surface. Ils doivent également trouver des matériaux capables de survivre longtemps en eau salée.
Cela dit, les deux pays estiment que leur approche pourrait avoir une incidence significative sur l'approvisionnement en énergie du pays. L’hydrogène est déjà très utilisé dans l’industrie chimique, par exemple, pour produire de l’ammoniac et du méthanol. Et, la demande devrait continuer à augmenter à mesure que de plus en plus de constructeurs automobiles s'engagent pour des voitures fonctionnant à la pile à hydrogène.
(À gauche) Photo du prototype d'électrolyseur PV autonome, flottant dans un réservoir d'acide sulfurique liquide. Les cellules photovoltaïques placées au-dessus du "mini-équipement" convertissent la lumière en électricité utilisée pour alimenter l'électrolyseur sans membrane immergé dans la partie inférieure. (À droite) Rendu d'un hypothétique "système de stockage de carburant solaire" à grande échelle fonctionnant en pleine mer. (À gauche) Jack Davis et (à droite) Justin Bui / Columbia Engineering) Leur vision à long terme est de gigantesques «plates-formes de combustible solaire» flottant dans l'océan, et Esposito est allé jusqu'à estimer la superficie cumulée qu'il faudrait couvrir pour générer suffisamment de combustible d'hydrogène pour remplacer tout le pétrole utilisé sur la planète. . Son calcul: 63 000 milles carrés, soit une superficie légèrement inférieure à celle de l’État de Floride. Cela ressemble à beaucoup d’océan, mais il souligne que la superficie totale couvrirait environ 0, 045% de la surface de l’eau de la Terre.
C'est un peu une projection dans le ciel, mais Esposito a également réfléchi aux défis du monde réel auxquels serait confrontée une opération de production d'énergie flottante non reliée au fond de la mer. Pour commencer, il y a de grosses vagues.
«Il serait certainement nécessaire de concevoir l'infrastructure de cette plate-forme de manière à ce qu'elle puisse résister aux mers agitées», a-t-il déclaré. "C'est quelque chose que vous prendriez en compte lorsque vous penserez à l'emplacement d'une plate-forme."
Et peut-être, ajoute-t-il, ces plates-formes pourraient être capables de sortir du danger.
«Il est possible qu'une plate-forme comme celle-ci soit mobile. Quelque chose qui pourrait peut-être se développer, puis se contracter. Il ne serait probablement pas capable de bouger vite, mais cela pourrait éviter la tempête.
"Ce serait vraiment précieux", dit-il.
