Le stockage de l’hydrogène est coûteux et inefficace. Dans une installation pilote du campus Hönggerberg de l’ETH Zurich, des chercheurs de l’ETH démontrent que cela pourrait bientôt changer.
Le fer comme moyen de stockage économique de l’hydrogène
Des chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Zurich (ETH) dirigés par Wendelin Stark, professeur de matériaux fonctionnels au département de chimie et de biosciences appliquées, ont mis au point une nouvelle technologie pour le stockage saisonnier de l’hydrogène qui est beaucoup plus sûre et moins chère que les solutions existantes. Les chercheurs utilisent une technologie connue et le quatrième élément le plus abondant sur Terre : le fer.
Stockage chimique
Pour mieux stocker l’hydrogène, Stark et son équipe utilisent le processus de repassage à la vapeur, connu depuis le XIXe siècle. Si l’énergie solaire est excédentaire pendant les mois d’été, elle peut être utilisée pour diviser l’eau et produire de l’hydrogène. Cet hydrogène est ensuite introduit dans un réacteur en acier inoxydable rempli de minerai de fer naturel à 400°C. L’hydrogène y extrait l’hydrogène de l’eau. L’hydrogène y extrait l’oxygène du minerai de fer (qui, en termes chimiques, est simplement de l’oxyde de fer) et produit du fer élémentaire et de l’eau.
« Ce processus chimique est similaire à la recharge d’une batterie. Cela signifie que l’énergie de l’hydrogène peut être stockée sous forme de fer et d’eau pendant de longues périodes avec peu de pertes », explique M. Stark. Lorsque l’énergie est à nouveau nécessaire en hiver, les chercheurs inversent le processus : ils introduisent de la vapeur chaude dans le réacteur pour retransformer le fer et l’eau en oxyde de fer et en hydrogène. L’hydrogène peut alors être converti en électricité ou en chaleur dans une turbine à gaz ou une pile à combustible. Pour réduire au minimum l’énergie nécessaire au processus de décharge, de la vapeur est produite en utilisant la chaleur résiduelle de la réaction de décharge.
Du minerai de fer bon marché combiné à de l’hydrogène coûteux
« Le grand avantage de cette technologie est que la matière première, le minerai de fer, est disponible en grandes quantités et n’a même pas besoin d’être traitée avant d’être introduite dans le réacteur », explique M. Stark. En outre, les chercheurs supposent que de grandes installations de stockage du minerai de fer pourraient être construites dans le monde entier sans influencer de manière substantielle le prix du fer sur le marché mondial.
Le réacteur dans lequel la réaction a lieu ne doit pas répondre à des exigences de sécurité particulières. Il est constitué de parois en acier inoxydable de seulement 6 millimètres d’épaisseur. La réaction se déroule sous une pression normale et la capacité de stockage augmente à chaque cycle. Une fois rempli d’oxyde de fer, le réacteur peut être réutilisé pour un nombre illimité de cycles de stockage sans qu’il soit nécessaire de remplacer son contenu. Un autre avantage de cette technologie est que les chercheurs peuvent facilement augmenter la capacité de stockage. Il suffit de construire des réacteurs plus grands et de les remplir avec plus de minerai de fer. Tous ces avantages font que cette technologie de stockage est environ dix fois moins chère que les méthodes existantes.
Cependant, l’utilisation de l’hydrogène présente également un inconvénient : sa production et sa conversion sont inefficaces par rapport à d’autres sources d’énergie, puisque jusqu’à 60 % de son énergie est perdue au cours du processus. Cela signifie qu’en tant que moyen de stockage, l’hydrogène est surtout intéressant lorsque l’énergie éolienne ou solaire est disponible en quantité suffisante et que les autres options sont exclues. Cela est particulièrement vrai pour les processus industriels qui ne peuvent pas être électrifiés.
Installation pilote sur le campus de Hönggerberg
Les chercheurs ont démontré la faisabilité technique de leur technologie de stockage dans une installation pilote sur le campus de Hönggerberg. Il s’agit de trois réacteurs en acier inoxydable d’une capacité de 1,4 mètre cube, que les chercheurs ont remplis chacun de 2 à 3 tonnes de minerai de fer non traité disponible dans le commerce.
« L’installation pilote peut stocker pendant de longues périodes environ 10 MWh d’hydrogène. Selon la façon dont l’hydrogène est converti en électricité, entre 4 et 6 mégawattheures d’énergie seront produits », explique Samuel Heiniger, doctorant dans le groupe de recherche de Stark. Cela correspond à la demande en électricité de trois à cinq maisons individuelles suisses pendant les mois d’hiver. Pour l’instant, le système fonctionne encore avec l’électricité du réseau et non avec l’énergie solaire produite sur le campus du Hönggerberg.
Cette situation est sur le point de changer : les chercheurs souhaitent étendre le système de manière à ce que, d’ici 2026, le campus de l’ETH Hönggerberg puisse couvrir un cinquième de sa demande d’électricité hivernale grâce à l’énergie solaire estivale. Cela nécessite des réacteurs d’un volume de 2 000 m3, qui pourraient stocker environ 4 GWh d’hydrogène vert. Une fois converti en électricité, l’hydrogène stocké fournirait environ 2 GWh d’énergie.
« Cette centrale pourrait remplacer un petit réservoir dans les Alpes en tant qu’installation de stockage saisonnier de l’énergie. Pour donner un ordre d’idée, elle équivaut à environ un dixième de la capacité de la centrale de pompage-turbinage de Nate de Drance », explique M. Stark. En outre, le processus de décharge produirait 2 GWh de chaleur, que les chercheurs souhaitent intégrer au système de chauffage du campus.
Une bonne évolutivité
Mais cette technologie pourrait-elle être exploitée pour assurer le stockage saisonnier de l’énergie dans tout un pays ? Les chercheurs ont fait quelques calculs initiaux : pour fournir à la Suisse environ 10 TWh d’électricité à partir de systèmes de stockage saisonnier d’hydrogène chaque année à l’avenir, ce qui serait certainement beaucoup, il faudrait environ 15 à 20 TWh d’hydrogène vert et environ 10 000 000 de mètres cubes de minerai de fer.
« Cela représente environ 2 % de ce que l’Australie, le plus grand producteur de minerai de fer, extrait chaque année », explique M. Stark. À titre de comparaison, dans ses Perspectives énergétiques 2050+ , l’Office fédéral suisse de l’énergie prévoit une consommation totale d’électricité d’environ 84 TWh en 2050.
Si l’on construisait des réacteurs capables de stocker environ 1 GWh d’électricité chacun, leur volume serait d’environ 1 000 m3, ce qui nécessiterait environ 100 mètres carrés de terrain à bâtir. Pour obtenir 10 TWh d’électricité en hiver, la Suisse devrait construire environ 10 000 systèmes de stockage de ce type, ce qui correspond à une surface d’environ 1 mètre carré par habitant.
Via ethz.ch
