Le fer comme réservoir d'hydrogène bon marché

D'ici 2050, le photovoltaïque devrait couvrir plus de 40% des besoins en électricité de la Suisse. Mais l'électricité solaire ne coule pas toujours à flot quand on en a besoin : Il y en a trop en été et pas assez en hiver, lorsque le soleil brille moins souvent et que les pompes à chaleur tournent à plein régime. Selon la stratégie énergétique de la Confédération suisse, la Suisse veut combler la pénurie d'électricité hivernale en combinant les importations, l'énergie éolienne et hydraulique ainsi que les installations solaires alpines et les centrales à gaz.

Une possibilité de réduire au maximum la part des importations et des centrales à gaz en hiver est de produire de l'hydrogène en été à partir d'électricité solaire bon marché, qui pourrait ensuite être alimentée en électricité en hiver. Mais l'hydrogène est hautement inflammable, extrêmement volatile et rend de nombreux matériaux cassants. Pour stocker le gaz de l'été à l'hiver, il faut des réservoirs spéciaux sous pression et des techniques de refroidissement. Celles-ci nécessitent beaucoup d'énergie et la construction des installations de stockage est très coûteuse en raison des nombreuses mesures de sécurité à prendre. De plus, les réservoirs d'hydrogène ne sont jamais totalement étanches, ce qui nuit à l'environnement et entraîne des coûts supplémentaires.

Des chercheurs de l'ETH menés par Wendelin Stark, professeur de matériaux fonctionnels au Département de chimie et des sciences biologiques appliquées, viennent de mettre au point une nouvelle technique de stockage permettant de stocker l'hydrogène de manière saisonnière. Ce type de stockage est beaucoup plus sûr et moins cher que les solutions existantes. Pour ce faire, 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 s'appuient sur le procédé fer-vapeur, connu depuis le 19e siècle. Lorsque l'électricité solaire est trop abondante pendant les mois d'été, elle permet de décomposer l'eau pour produire de l'hydrogène. Cet hydrogène est ensuite acheminé vers une chaudière en acier inoxydable à 400 degrés Celsius, remplie de minerai de fer naturel. Là, l'hydrogène extrait l'oxygène du minerai de fer - qui n'est chimiquement rien d'autre que de l'oxyde de fer -, ce qui produit du fer élémentaire et de l'eau.

"Ce processus chimique ressemble à la recharge d'une batterie. L'énergie de l'hydrogène peut ainsi être stockée sous forme de fer et d'eau pendant une longue période, presque sans perte", explique Stark. Si l'énergie est à nouveau nécessaire en hiver, les chercheurs inversent le processus : Ils introduisent de la vapeur d'eau chaude dans la chaudière, ce qui permet de reformer de l'oxyde de fer et de l'hydrogène à partir du fer et de l'eau. L'hydrogène peut ensuite être transformé en électricité ou en chaleur dans une turbine à gaz ou une pile à combustible. Afin de consommer le moins d'énergie possible pour le processus de décharge, la chaleur résiduelle de la réaction de décharge est utilisée pour produire la vapeur d'eau.

Le minerai de fer bon marché rencontre l'hydrogène cher

"Le grand avantage de cette technologie est que le matériau de base, le minerai de fer, est facile à acheter en grandes quantités. De plus, nous n'avons même pas besoin de le préparer avant de le mettre dans la chaudière", explique Stark. Les chercheurs estiment en outre qu'il serait possible de construire de grands réservoirs de minerai de fer dans le monde entier sans influencer substantiellement le prix du fer sur le marché mondial.

La chaudière dans laquelle se déroule la réaction ne doit pas non plus répondre à des exigences de sécurité particulières. Elle est constituée de parois en acier inoxydable de seulement six millimètres d'épaisseur. La réaction se déroule sous pression normale et la capacité de stockage augmente à chaque cycle. La chaudière à oxyde de fer peut être réutilisée pour autant de cycles de stockage que nécessaire, sans qu'il soit nécessaire de remplacer l'oxyde de fer. Un autre avantage de cette technologie est que les chercheurs peuvent facilement augmenter la capacité de stockage. Il suffit de construire des chaudières plus grandes et d'y mettre plus de minerai de fer. Tous ces avantages rendent la technologie de stockage environ dix fois moins chère que les procédés existants, selon les estimations.

L'utilisation de l'hydrogène présente toutefois un inconvénient : sa production et sa transformation sont inefficaces par rapport à d'autres sources d'énergie, puisque jusqu'à 60% de l'énergie est perdue. L'hydrogène est donc surtout intéressant comme moyen de stockage lorsque l'électricité éolienne ou solaire est disponible en quantité suffisante et que d'autres options ne sont pas envisageables. C'est surtout le cas pour les procédés industriels qui ne peuvent pas être électrifiés.

Installation pilote sur le campus du Hönggerberg

Les chercheurs ont démontré la faisabilité technique de la technologie de stockage à l'aide d'une installation pilote sur le campus du Hönggerberg. Celle-ci se compose de trois chaudières en acier inoxydable de 1,4 mètre cube, que les chercheurs ont remplies chacune de deux à trois tonnes de minerai de fer non traité, disponible sur le marché.

"L'installation pilote peut stocker à long terme environ dix mégawattheures d'hydrogène. Selon la manière dont on transforme l'hydrogène en électricité, on obtient de quatre à six mégawattheures d'électricité", explique Samuel Heiniger, doctorant dans le groupe de recherche de Wendelin Stark. Cela correspond aux besoins en électricité de trois à cinq maisons individuelles suisses pendant les mois d'hiver. Actuellement, l'installation fonctionne encore avec l'électricité du réseau et non avec l'électricité solaire produite sur le campus du Hönggerberg.

Cela devrait bientôt changer : D'ici 2026, les chercheurs veulent développer l'installation et couvrir un cinquième des besoins en électricité du campus du Hönggerberg de l'ETH en hiver avec leur propre électricité solaire produite en été. Pour cela, il faudrait des chaudières d'un volume de 2'000 mètres cubes, capables de stocker environ quatre gigawattheures d'hydrogène vert. Après sa transformation en électricité, l'hydrogène stocké fournirait environ deux gigawattheures d'électricité. "Cette installation pourrait remplacer un petit lac de barrage alpin en tant que stockage saisonnier d'énergie. A titre de comparaison, cela représenterait environ un centième de la capacité de la centrale de pompage-turbinage Nate de Drance", explique le professeur Stark de l'ETH. De plus, le déchargement produirait deux gigawattheures de chaleur que les chercheurs souhaitent intégrer dans le système de chauffage du campus.

Une bonne évolutivité

Mais cette technologie fonctionnerait-elle aussi pour le stockage saisonnier d'énergie de toute la Suisse ? Les chercheurs ont effectué des premiers calculs à ce sujet : Si la Suisse devait à l'avenir consommer chaque année environ dix térawattheures d'électricité provenant de stockages saisonniers d'hydrogène - ce qui serait, il est vrai, beaucoup - il faudrait pour cela environ 15 à 20 TWh d'hydrogène vert et quelque 10'000'000 de mètres cubes de minerai de fer. "Cette quantité de fer correspond à environ deux pour cent de ce que l'Australie, le plus grand producteur de minerai de fer, extrait chaque année", explique le professeur Stark de l'ETH. À titre de comparaison, l'office fédéral de l'énergie prévoit, dans ses perspectives énergétiques 2050, une consommation totale d'électricité d'environ 84 TWh en 2050.

Si l'on construisait des réservoirs capables de stocker chacun environ un gigawattheure d'électricité, ils auraient un volume d'environ 1000 mètres cubes. Cela nécessite un terrain à bâtir d'environ 100 mètres carrés. Il faudrait que la Suisse construise environ 10 000 de ces réservoirs de stockage pour obtenir dix térawattheures (TWh) d'électricité en hiver, ce qui correspond à peu près à une surface d'un mètre carré par habitant.