Booster pour le tournant énergétique : une équipe de recherche de Kiel veut optimiser la production d'hydrogène
Si, dans un avenir proche, des navires propulsés à l'hydrogène vert sillonnent les mers du monde, des scientifiques de Kiel y auront également apporté leur contribution. Une équipe de recherche de la HAW Kiel et de l'université de Kiel travaille actuellement avec l'entreprise Phi-Stone AG à l'optimisation de la production d'hydrogène par électrolyse capillaire et, en fin de compte, à la rendre plus économique. L'augmentation de l'efficacité doit être obtenue grâce à des matériaux innovants pour la membrane et à une commande électronique plus intelligente. Le projet CAPTN Energy "Matériaux et alimentations électriques innovants pour l'électrolyse de l'hydrogène" reçoit plus de 870 000 euros du ministère fédéral allemand de la recherche.
L'Organisation maritime internationale des Nations unies (OMI) a formulé un objectif clair : D'ici 2050, les flottes de ses 176 pays membres devront être climatiquement neutres, et d'ici 2030, 40 pour cent déjà. Un projet ambitieux, car en 2024, 98,8 % des navires utilisaient encore des combustibles fossiles traditionnels. L'économie maritime doit donc à l'avenir utiliser des sources d'énergie climatiquement neutres. La transformation des énergies renouvelables en hydrogène vert par électrolyse est particulièrement attrayante pour la transition énergétique maritime. L'hydrogène ainsi produit peut alimenter des navires sous forme de piles à combustible ou être transformé en d'autres carburants durables. Le problème : les besoins sont énormes et la production de l'hydrogène est encore coûteuse et inefficace.
De nouveaux concepts de matériaux doivent permettre de réaliser l'électrolyse capillaire à l'échelle industrielle.
Le projet CAPTN Energy "Matériaux et alimentations électriques innovants pour l'électrolyse de l'hydrogène" s'attaque précisément à ce problème. Les partenaires de coopération HAW Kiel et CAU Kiel veulent développer des matériaux et des solutions d'alimentation électrique efficaces pour le procédé d'électrolyse capillaire en collaboration avec Phi-Stone AG, dont le siège se trouve à Mielkendorf près de Kiel. L'électrolyse capillaire utilise une cellule d'électrolyse qui produit de l'hydrogène et de l'oxygène à travers une membrane poreuse et hydrophile. L'électrolyse conventionnelle a un rendement compris entre 60 et 80 pour cent, l'électrolyse capillaire promet des rendements bien supérieurs à 90 pour cent, explique le professeur Rainer Adelung, directeur du groupe de travail sur les nanomatériaux fonctionnels à l'Institut des sciences des matériaux de la CAU. Ce procédé est déjà très efficace : "Il n'a toutefois été présenté dans un premier temps que comme un concept de recherche. Pour l'électrolyse capillaire, nous avons besoin de nouveaux concepts de matériaux hautement évolutifs qui permettent une électrolyse rentable à l'échelle industrielle. C'est ce que nous voulons développer dans le cadre de ce projet".
Les semi-conducteurs de puissance en nitrure de gallium doivent contrôler plus efficacement la cellule d'électrolyse
Une autre vis de réglage pour une plus grande efficacité et donc une production d'hydrogène moins coûteuse réside dans la commande de la cellule d'électrolyse qui génère la tension nécessaire au processus d'électrolyse. Le chef de projet général Ulf Schümann (HAW Kiel) développera la commande dans le cadre du projet. Schümann étudie dans quelle mesure une pulsation de la tension peut augmenter l'efficacité de la cellule d'électrolyse. Le professeur d'électronique de puissance et d'entraînements électriques mise pour cela sur des semi-conducteurs de puissance en nitrure de gallium. "Jusqu'à présent, on utilisait des semi-conducteurs de puissance à base de silicium. Le nitrure de gallium en tant que matériau a le potentiel d'être beaucoup plus efficace, car il possède une résistance à l'état passant nettement plus faible", explique Schümann.
Le coût du kilogramme d'hydrogène, et donc l'efficacité de la chaîne de création de valeur dans la production d'hydrogène, sont déterminants pour la réussite du tournant énergétique, souligne Schümann. Actuellement, il faut environ 52,5 kWh d'énergie électrique par kilogramme d'hydrogène. L'électrolyse capillaire promet de réduire la consommation d'énergie à moins de 42 kWh par kilogramme d'hydrogène. "Cela réduit la consommation d'énergie de 20 pour cent", explique Schümann. Cela a bien sûr un impact direct sur les coûts de production de l'hydrogène et sur son prix.
Le partenaire industriel apporte de l'oxyde de zinc tétrapodal
Le troisième partenaire du projet est la Phi-Stone AG, une entreprise issue de la faculté de technologie de la CAU. Daniel Hugenbusch, directeur du département de recherche et de développement, explique que ce partenaire industriel produira les matériaux capillaires évolutifs à développer : "Phi-Stone AG fabrique dans des conditions de salle blanche et à une échelle très précise ce que l'on appelle de l'oxyde de zinc tétrapodal, qui est utilisé dans les produits médicaux et cosmétiques en raison de ses excellentes propriétés antimicrobiennes. D'un point de vue technique, d'autres domaines d'application s'offrent à nous, car l'oxyde de zinc tétrapode sert de matériau modèle, c'est-à-dire de moule, et constitue la base d'une multitude de matériaux innovants. Dans le cadre de ce projet, nous exploiterons ces propriétés pour les matériaux d'électrode développés en parallèle".
L'État fédéral et le Land soutiennent le projet CAPTN Energy
Le projet CAPTN Energy de Kiel "Matériaux et alimentations électriques innovants pour l'électrolyse de l'hydrogène" est soutenu par le ministère fédéral allemand de la Recherche, de la Technologie et de l'Espace à hauteur d'environ 870 000 euros dans le cadre du programme WIR ! Le ministère de la Transition énergétique, de la Protection du climat, de l'Environnement et de la Nature du Land de Schleswig-Holstein participe au projet en le cofinançant. Le projet a une durée de trois ans.
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