Le fer comme moyen de stockage peu coûteux pour l'hydrogène

Le photovoltaïque devrait couvrir plus de 40% des besoins en électricité de la Suisse d'ici à 2050. Mais l'énergie solaire n'est pas toujours disponible quand on en a besoin : il y en a trop en été et pas assez en hiver, quand le soleil brille moins souvent et que les pompes à chaleur tournent à plein régime. Selon la stratégie énergétique du gouvernement fédéral suisse, la Suisse souhaite combler le déficit d'électricité en hiver en combinant les importations, l'énergie éolienne et l'énergie hydraulique, ainsi que les centrales solaires alpines et les centrales à gaz.

L'un des moyens de minimiser le besoin d'importations et de centrales à gaz en hiver est de produire de l'hydrogène à partir d'énergie solaire bon marché en été, qui pourrait ensuite être converti en électricité en hiver. Cependant, l'hydrogène est hautement inflammable, extrêmement volatile et fragilise de nombreux matériaux. Le stockage du gaz de l'été à l'hiver nécessite des conteneurs pressurisés spéciaux et une technologie de refroidissement. Ceux-ci nécessitent beaucoup d'énergie, tandis que les nombreuses précautions de sécurité qui doivent être prises rendent la construction de telles installations de stockage très coûteuse. De plus, les réservoirs d'hydrogène ne sont jamais totalement étanches, ce qui nuit à l'environnement et augmente les coûts.

Un groupe de recherche de l'ETH Zurich dirigé par Wendelin Stark, professeur de matériaux fonctionnels au département de chimie et de biosciences appliquées, a 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 scientifiques utilisent une technologie bien connue et le quatrième élément le plus abondant sur Terre : le fer.

Stockage de produits chimiques

Pour mieux stocker l'hydrogène, Wendelin Stark et son équipe s'appuient sur le processus vapeur-fer, qui est connu depuis le XIX^e 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 degrés Celsius. Là, l'hydrogène 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, ce qui signifie que l'énergie contenue dans l'hydrogène peut être stockée sous forme de fer et d'eau pendant de longues périodes sans pratiquement aucune perte», explique Wendelin Stark. Lorsque l'énergie est à nouveau nécessaire en hiver, les chercheuses et chercheurs inversent le processus : ils et elles 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, la vapeur est produite à partir de la chaleur résiduelle de la réaction de décharge.

Le minerai de fer bon marché rencontre l'hydrogène cher

«Le grand avantage de cette technologie est que la matière première, le minerai de fer, est facile à obtenir en grandes quantités. De plus, elle n'a même pas besoin d'être traitée avant d'être introduite dans le réacteur», explique Wendelin Stark. En outre, les chercheurs et chercheuses 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 non plus répondre à des exigences de sécurité particulières. Il est constitué de parois en acier inoxydable d'une épaisseur de 6 millimètres seulement. La réaction se produit à 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 estimée 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 l'énergie est perdue au cours du processus. Cela signifie qu'en tant que moyen de stockage, l'hydrogène est surtout intéressant lorsqu'il y a suffisamment d'énergie éolienne ou solaire disponible et que les autres options ne sont pas envisageables. C'est notamment le cas des processus industriels qui ne peuvent pas être électrifiés.

Installation pilote sur le campus de Hönggerberg

Les scientifiques ont démontré la faisabilité technique de leur technologie de stockage en utilisant 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 remplis chacun de 2 à 3 tonnes de minerai de fer non traité disponible sur le marché.

«L'installation pilote peut stocker environ 10 mégawattheures d'hydrogène sur de longues périodes. Selon la manière dont l'hydrogène est converti en électricité, on obtient entre 4 et 6 mégawattheures d'électricité», explique Samuel Heiniger, doctorant dans le groupe de recherche de Wendelin Stark. Cela correspond à la demande d'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 de Hönggerberg.

Cela devrait bientôt changer : les scientifiques souhaitent étendre le système de sorte que, d'ici 2026, le campus de l'ETH  de Hönggerberg puisse couvrir un cinquième de ses besoins en électricité hivernale grâce à sa propre énergie solaire estivale. Cela nécessiterait des réacteurs d'un volume de 2000 mètres cubes, qui pourraient stocker environ 4 gigawattheures (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, cela équivaut à environ un dixième de la capacité de la centrale de pompage-turbinage de Nate de Drance», explique Wendelin Stark. En outre, le processus de décharge produirait 2 GWh de chaleur, que les chercheuses et chercheurs souhaitent intégrer au système de chauffage du campus.

Bonne évolutivité

Mais cette technologie pourrait-elle être exploitée pour fournir un stockage d'énergie saisonnier à l'ensemble de la Suisse ? Les scientifiques ont fait des premiers calculs : pour fournir à la Suisse environ 10 térawattheures (TWh) d'électricité à partir de systèmes de stockage saisonnier d'hydrogène chaque année à l'avenir - ce qui serait certes 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 Wendelin 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, ils auraient un volume d'environ 1000 mètres cubes. Cela nécessite environ 100 mètres carrés de terrain à bâtir. Pour obtenir 10 TWh d'électricité en hiver, la Suisse devrait construire quelque 10'000 de ces systèmes de stockage, ce qui correspond à une surface d'environ 1 mètre carré par habitant et habitante.