Nouvelle avancée de l’UNSW pour des électrolyseurs plus efficaces dans l’hydrogène vert

L’hydrogène vert est souvent présenté comme un pilier de la transition énergétique, mais sa production reste confrontée à des défis techniques majeurs. Des chercheurs de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) à Sydney viennent de franchir une étape décisive en identifiant et en résolvant un goulot d’étranglement qui limite le rendement des électrolyseurs. Grâce à une imagerie 3D de haute précision, ils ont pu observer en temps réel comment les bulles d’hydrogène piégées dans les électrodes poreuses réduisent l’efficacité du processus. Cette découverte ouvre la voie à des électrolyseurs plus performants et à une production d’hydrogène vert économiquement viable à grande échelle.

Le problème des bulles dans les électrolyseurs

Dans un électrolyseur, l’eau est dissociée en hydrogène et en oxygène sous l’effet d’un courant électrique. Ce processus génère des bulles de gaz qui doivent s’évacuer rapidement pour ne pas bloquer les sites réactionnels. À l’échelle industrielle, lorsque les densités de courant sont élevées, ces bulles s’accumulent sur l’électrode poreuse, formant une barrière qui ralentit le transport de l’eau et des ions. Résultat : le catalyseur est privé d’eau fraîche et le rendement chute. Ce phénomène est l’un des principaux freins à l’adoption massive de l’électrolyse pour produire de l’hydrogène vert.

Les travaux menés par le professeur Payman Mostaghimi et son équipe de l’École de génie civil et d’ingénierie environnementale de l’UNSW montrent que la structure même de l’électrode joue un rôle crucial. « Si la structure est correctement conçue, il est possible d’empêcher les bulles d’obstruer le système et de le rendre beaucoup plus efficace », explique-t-il. L’étude, publiée dans la revue Energy & Environmental Science, démontre qu’une architecture de pores ordonnée et uniforme minimise le piégeage des gaz, contrairement à des structures irrégulières.

Imagerie synchrotron operando : une première mondiale

Pour parvenir à ces conclusions, les chercheurs ont utilisé une technique d’imagerie synchrotron operando couplée à des simulations numériques avancées à l’échelle des pores. C’est la première fois que cette approche permet de visualiser en temps réel la formation, la croissance et l’accumulation des bulles d’hydrogène pendant l’électrolyse, sans avoir à démonter la cellule. « Avant cela, les scientifiques ne pouvaient pas vraiment voir ce qui se passait à l’intérieur de l’électrode de la manière dont nous avons pu le faire grâce à nos technologies avancées », souligne le professeur Ryan Armstrong, co-investigateur du projet.

Le Dr Ying Da Wang, de l’École de génie des ressources minérales et énergétiques de l’UNSW, qui a dirigé la simulation et l’analyse des écoulements, précise que ces travaux montrent que les limitations du transport de matière sont fondamentalement liées à l’architecture de l’électrode, et pas seulement à l’activité catalytique. « En combinant l’imagerie en temps réel, des simulations avancées d’écoulements diphasiques et des mesures de performance, nous comprenons désormais comment l’accumulation de bulles d’hydrogène influence les performances », ajoute un collègue de l’École de chimie de l’UNSW.

Implications pour la production d’hydrogène vert

Ces résultats ouvrent des perspectives concrètes pour les fabricants d’électrolyseurs. En optimisant la forme et la distribution des pores dans les électrodes, il devient possible de réduire le piégeage des bulles et d’améliorer le rendement énergétique. Selon les chercheurs, cette approche pourrait permettre d’augmenter la production d’hydrogène vert tout en réduisant les coûts, rendant cette technologie plus compétitive face aux énergies fossiles. Le professeur Mostaghimi insiste : « Notre étude offre aux fabricants une voie pour concevoir des systèmes plus efficaces, directement applicable à l’échelle industrielle. »

La recherche de l’UNSW s’inscrit dans un contexte global où les investissements dans l’hydrogène vert explosent. Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), la capacité mondiale de production d’hydrogène par électrolyse pourrait atteindre plusieurs centaines de gigawatts d’ici 2030. Pour y parvenir, il est impératif de lever les verrous techniques, et cette avancée sur la gestion des bulles en est un exemple frappant. Les partenaires du projet, TotalEnergies et l’EPFL, apportent leur expertise industrielle et académique pour accélérer le transfert technologique.

Vers un couplage production-transport-stockage

Fort de ces résultats, l’équipe de l’UNSW se concentre désormais sur une évaluation technico-économique du couplage entre la production d’hydrogène vert, son transport et son stockage à grande échelle dans des réservoirs poreux souterrains. « En examinant ensemble la production, le transport et le stockage souterrain, nous pouvons montrer aux décideurs politiques et à l’industrie ce qui est réellement réalisable, et à quel coût », déclare Payman Mostaghimi. Cette approche intégrée est essentielle pour bâtir une filière hydrogène viable, de l’électrolyseur jusqu’au consommateur final.

L’étude complète a été réalisée avec le soutien de l’UNSW, de TotalEnergies et de l’EPFL. Elle démontre que la recherche fondamentale en imagerie et en science des matériaux peut avoir un impact direct sur l’industrialisation de l’hydrogène vert.