Hydrogène : un vent nouveau

Le monde de l’hydrogène est en pleine effervescence le vendredi 12 janvier, une dizaine d’industriels, de chercheurs, et de représentants des collectivités(1) se réunissent à l’Iut(2) de l’Université Bretagne Sud, à Lorient. Certains travaillent dans la fabrication de groupes électrogènes, d’autres dans la construction de machines-outils, le stockage d’énergie ou encore la mobilité. Ils viennent de milieux différents, mais sont tous intéressés par les travaux du jeune chercheur Damien Le Bideau et de son directeur de thèse, Philippe Mandin. Ensemble, ils participent à l’organisation de la filière hydrogène en Bretagne. Pour réduire l’émission de gaz à effet de serre, l’un des enjeux consiste à produire de l’hydrogène, sans l’extraire du pétrole, comme cela se fait dans 95 % des cas. Les deux chercheurs en “énergétique électrochimique” veulent produire ce gaz, simplement à partir d’eau et d’électricité.

Depuis 1800

Faire du carburant avec de l’eau, l’idée n’est pas nouvelle. Jules Verne abordait cette question dans L’île mystérieuse. « Je crois que l’eau sera un jour employée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisable et d’une intensité que la houille ne saurait avoir », imaginait l’ingénieur Cyrus Smith, le héros du livre. Lors de sa publication en 1874, ce discours n’est pas totalement de la science-fiction. L’hydrogène est déjà utilisé comme combustible dans des lampes, et la technique pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène grâce à l’électricité est connue depuis 1800.

L’hydrogène et l’électrolyse de l’eau (lire Comprendre p. 12-13) reviennent aujourd’hui sur le devant de la scène, grâce aux méthodes de production d’électricité à partir d’énergies renouvelables. Éoliennes, hydroliennes et autres panneaux solaires produisent de l’électricité de façon intermittente. Pour utiliser cette électricité n’importe quand, il faut la stocker. L’hydrogène est une bonne solution. Ce gaz a en effet l’avantage de la flexibilité : il peut être brûlé, utilisé par l’industrie chimique, ou retransformé en électricité. Surtout, il est stockable indéfiniment sans perte.

Améliorer le rendement

Le problème vient du rendement de la réaction d’électrolyse. « Entre la transformation d’électricité en hydrogène, le stockage, et la transformation dans l’autre sens (de l’hydrogène vers l’électricité), il ne reste que 30 à 40 % de l’électricité de départ », explique Philippe Mandin. Pour démocratiser cette technologie et la rendre autonome des subventions publiques, il faut améliorer le rendement. C’est justement le sujet de recherche de Damien Le Bideau.

« Nous cherchons à augmenter la quantité d’eau dissociée en hydrogène, en utilisant le moins d’énergie possible », explique le doctorant. Pour cela, les scientifiques cherchent à améliorer les interactions entre le liquide et le circuit électrique. « Nous avons plusieurs axes de travail, poursuit Philippe Mandin. Premièrement, nous jouons sur les matériaux des électrodes pour qu’ils transmettent plus facilement l’électricité. Mais il ne s’agit pas de développer un matériau hors de prix, qui atteindrait un record de laboratoire, sans pouvoir être utilisé dans des conditions réelles. Il faut être efficace et rentable. » Une solution, déjà utilisée dans les panneaux solaires, consisterait à inclure des nanoparticules d’un matériau efficace, afin d’apporter ses propriétés à l’électrode sans faire grimper les prix.

Transformer les électrodes

«Pour augmenter le rendement, il faut aussi améliorer la surface de contact entre les électrodes et le liquide », expliquent les chercheurs. Ils veulent éliminer les bulles de gaz qui se forment sur les électrodes. Ce gaz, le dihydrogène(3), a beau être le Graal, tant qu’il reste sur l’électrode, il se comporte comme un isolant qui empêche la circulation de l’électricité ! « Nous devons comprendre où se forment ces bulles, et transformer l’électrode en conséquence. Si elle devient hydrophile, par exemple, l’électrode attire l’eau, ce qui empêche les bulles de se fixer à sa surface. »

Pour augmenter le contact entre l’eau et le circuit électrique, Philippe Mandin et Damien Le Bideau imaginent des électrodes aux formes inédites. L’électrolyse de demain, celle qui servira à alimenter des groupes électrogènes, des réseaux de gaz ou des voitures électriques, se fera peut-être avec des électrodes hydrophiles, boostées aux nanoparticules, et aux formes complexes pour en multiplier la surface. La transition énergétique se joue aussi à cette échelle.