Matières premières critiques des électrolyseurs réintégrées dans le cycle
Des chercheurs réussissent à recycler des matériaux fonctionnels pour la production d'hydrogène
L'hydrogène joue un rôle central dans la transition énergétique. Ce gaz est principalement produit à l'aide d'électrolyseurs. Ce processus nécessite des matières premières critiques telles que les métaux du groupe du platine, les terres rares ou le nickel en tant que catalyseurs. Des chercheurs du Helmholtz Institute Freiberg for Resource Technology (HIF), un institut du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), ont maintenant réussi à récupérer ces matériaux fonctionnels à l'aide de procédés de flottation innovants et de la séparation des particules liquide-liquide, les réintroduisant ainsi dans le cycle des matériaux. La recherche fait partie du projet principal H2Giga du ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche (BMBF), qui étudie la longévité et la recyclabilité des électrolyseurs d'hydrogène.
Illustration schématique des méthodes de séparation
Sohyun Ahn
L'hydrogène est considéré comme une source d'énergie propre qui peut contribuer à réduire les émissions de CO2. L'accent est mis ici sur l'hydrogène vert, qui est produit par électrolyse de l'eau à l'aide d'énergies renouvelables telles que l'énergie éolienne et l'énergie solaire. L'hydrogène est utilisé dans l'industrie, par exemple comme matière première pour la production de produits chimiques et d'acier, ainsi que dans le secteur des transports, où il est utilisé comme carburant pour les véhicules à pile à combustible. L'hydrogène peut également être utilisé pour stocker l'énergie excédentaire provenant de sources renouvelables, ce qui en fait un élément important pour un avenir énergétique durable et respectueux du climat. Selon la stratégie nationale sur l'hydrogène, l'Allemagne devrait avoir besoin de 95 à 135 térawattheures d'hydrogène en 2030.
Différents procédés peuvent être utilisés pour produire de l'hydrogène, dont l'électrolyse de l'eau : l'eau est décomposée en hydrogène et en oxygène à l'aide d'un courant électrique. Les catalyseurs de l'électrolyseur sont constitués de métaux critiques, appelés matériaux fonctionnels. Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM) utilisent principalement des métaux du groupe du platine, tels que le platine, l'iridium et le palladium. Les électrolyseurs à haute température utilisent des terres rares et du nickel. Ces matières premières essentielles doivent être sécurisées. C'est un projet sur lequel les chercheurs du HIF travaillent sous la direction de la TU Bergakademie Freiberg dans le cadre du projet ReNaRe.
ReNaRe signifie Recyclage - Utilisation durable des ressources et fait partie du projet phare H2Giga. Pour mettre en œuvre la stratégie nationale en matière d'hydrogène, le BMBF a mis en place trois projets phares pour l'entrée de l'Allemagne dans l'économie de l'hydrogène. L'un d'entre eux, H2Giga, se concentre sur la production en série d'électrolyseurs d'hydrogène. ReNaRe se concentre sur la fin de vie des électrolyseurs afin de réintroduire les matériaux utilisés, et en particulier les métaux critiques, dans le cycle des matériaux.
"Nous sommes impliqués dans le recyclage des électrolyseurs PEM et des électrolyseurs à haute température, car ils sont faciles à démanteler. Nous utilisons des techniques de séparation des particules ultrafines pour récupérer les matériaux fonctionnels. En effet, les matériaux critiques de l'anode et de la cathode sont présents sous forme de fines particules. Leur taille correspond à environ un centième de cheveu humain. La séparation des particules liquide-liquide et la flottation par agglomération se sont avérées adaptées à la séparation des matériaux fonctionnels. L'extraction de particules ultrafines utilise un système durable de circulation solvant-eau pour la séparation efficace des catalyseurs cathodiques hydrophobes, c'est-à-dire qui repoussent l'eau, et des catalyseurs anodiques hydrophiles (qui attirent l'eau). La flottation d'agglomération complémentaire utilise un liant hydrophobe innovant et durable pour permettre l'agglomération des particules en une masse uniforme. Le liant est basé sur une technologie d'émulsion spéciale, c'est-à-dire un mélange huile-eau à très forte teneur en eau, qui agglomère sélectivement les particules ultrafines hydrophobes. Cela permet de séparer les particules ultrafines hydrophiles en les faisant adhérer aux bulles de gaz et en les déchargeant dans la mousse", explique Sohyun Ahn, doctorant au HIF, en décrivant la procédure. "Avec les deux procédés, nous avons pu récupérer jusqu'à 90 % des matériaux fonctionnels critiques et les réintroduire dans le cycle des matériaux. Il s'agit d'une étape importante vers l'exploitation économique et durable de l'électrolyse de l'hydrogène".
Dans le cadre de ce projet, les chercheurs développent actuellement un schéma de processus approprié qui permet le recyclage à une échelle technique et qui est adaptable aux développements technologiques actuels et futurs. En outre, des évaluations technologiques sous la forme d'analyses du cycle de vie et d'analyses technico-économiques sont effectuées afin de quantifier les avantages du recyclage en termes de durabilité et de rentabilité.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Sohyun Ahn, Suvarna Patil, Martin Rudolph; "Ultrafine Particle Recycling─Efficiency of the Hydrophobic Double Emulsion Technique for the Selective Agglomeration and Froth Flotation of Ultrafine Cathode Catalyst Particles from PEM Water Electrolyzers"; ACS Engineering Au, Volume 5, 2024-12-20
Sohyun Ahn, Suvarna Patil, Martin Rudolph; "Influence of surfactants on selective mechanical separation of fine active materials used in high temperature electrolyzers contributing to circular economy"; Industrial Chemistry & Materials, Volume 2, 2024
Sohyun Ahn, Martin Rudolph; "Development of Fine Particle Mechanical Separation Processes with Representative Catalyst Materials for Recycling PEM Water Electrolyzers Exploiting their Wetting Characteristics"; ChemCatChem, Volume 16, 2023-12-15
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