Avec la baisse du prix des énergies renouvelables, il y a un intérêt croissant à trouver des moyens de les économiser économiquement. Les batteries peuvent gérer des pics de production à court terme, mais peuvent ne pas être en mesure de gérer des pénuries à long terme ou des variations saisonnières de la production d'électricité. L'hydrogène est l'une des nombreuses options envisagées qui a le potentiel de servir de pont à long terme entre les périodes de forte productivité des énergies renouvelables.
Mais l'hydrogène a ses propres problèmes. L'obtenir en fractionnant l'eau est assez inefficace d'un point de vue énergétique, et le stocker pendant de longues périodes peut être difficile. La plupart des catalyseurs produisant de l'hydrogène fonctionnent également mieux avec de l'eau propre - pas nécessairement celle qui est facilement disponible, car le changement climatique augmente l'intensité des sécheresses.
Un groupe de chercheurs en Chine a mis au point un appareil capable de produire de l'hydrogène à partir d'eau de mer - en fait, il doit être dans l'eau de mer pour que l'appareil fonctionne. Le concept clé derrière son travail sera familier à quiconque comprend le fonctionnement de la plupart des vêtements imperméables.
Les vêtements imperméables et respirants reposent sur une membrane aux pores soigneusement structurés. La membrane est faite d'un matériau qui repousse l'eau. Il a des pores, mais ils sont trop petits pour laisser passer l'eau liquide. Mais ils sont suffisamment grands pour que des molécules d'eau individuelles puissent les traverser. En conséquence, toute eau à l'extérieur du vêtement reste là, mais toute sueur à l'intérieur qui s'évapore continuera à traverser le tissu et à se diriger vers le monde extérieur. En conséquence, le tissu respire.
Une telle membrane est au cœur du fonctionnement du nouveau dispositif. Il ne laisse pas passer l'eau liquide à travers la membrane, mais il laisse passer la vapeur d'eau. La grande différence est que l'eau liquide se trouve des deux côtés de la membrane.
À l'extérieur - eau de mer avec un ensemble standard de sels. À l'intérieur se trouve une solution concentrée d'un seul sel - dans ce cas l'hydroxyde de potassium (KOH) - qui est compatible avec le processus d'électrolyse qui produit de l'hydrogène. Immergé dans la solution de KOH se trouve un ensemble d'électrodes qui produisent de l'hydrogène et de l'oxygène des deux côtés du séparateur, gardant les flux de gaz propres.
Que se passe-t-il une fois que l'équipement a commencé à fonctionner ? Au fur et à mesure que l'eau à l'intérieur de l'appareil se divise pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène, le niveau d'eau réduit augmente la concentration de la solution de sel caustique (qui était initialement beaucoup plus concentrée que l'eau de mer). Cela le rend économe en énergie pour déplacer l'eau à travers la membrane d'eau de mer pour diluer le KOH. Et, grâce aux pores, cela est possible, mais seulement si l'eau se déplace sous forme de vapeur.
En conséquence, à l'intérieur de la membrane, l'eau reste à l'état de vapeur pendant une courte période, puis se transforme rapidement en liquide dès qu'elle pénètre dans l'appareil. Tout le mélange complexe de sels contenu dans l'eau de mer reste à l'extérieur de la membrane et un flux constant d'eau douce est fourni aux électrodes qui la séparent. Il est important de noter que tout cela se produit sans utiliser l'énergie normalement utilisée dans le dessalement, ce qui rend le processus global plus économe en énergie que le traitement de l'eau pour une utilisation dans un électrolyseur standard.
En principe, tout cela semble bien, mais est-ce que ça marche vraiment ? Pour le savoir, l'équipe a assemblé l'appareil et l'a testé dans l'eau de mer de la baie de Shenzhen (une baie au nord de Hong Kong et de Macao). Et par presque toutes les mesures raisonnables, il a bien fonctionné.
Il a maintenu ses performances même après 3200 XNUMX heures d'utilisation, et la microscopie électronique de la membrane après utilisation a montré que les pores restaient dégagés à ce stade. Le KOH utilisé pour le système n'était pas complètement pur, il contenait donc de faibles niveaux d'ions présents dans l'eau de mer. Mais ces niveaux n'ont pas augmenté avec le temps, confirmant que le système ne permettait pas à l'eau de mer de pénétrer dans la chambre d'électrolyse. En termes de consommation d'énergie, le système utilisait à peu près la même chose qu'un électrolyseur standard, confirmant que le traitement de l'eau ne nécessitait aucune dépense énergétique.
La solution de KOH était également auto-équilibrée, la diffusion de l'eau dans l'appareil ralentissant si sa solution interne devenait trop diluée. S'il devient trop concentré, l'efficacité de l'électrolyse chute, donc l'élimination de l'eau ralentit.
Les auteurs estiment que leur appareil peut fonctionner sous la pression de l'eau de mer jusqu'à 75 m de profondeur. Cependant, la température à ces profondeurs peut être limitante, car le taux de diffusion de l'eau à travers la membrane est six fois plus élevé à 30 °C qu'à 0 °C. °C.
Même avec toutes ces bonnes nouvelles, il existe des possibilités d'améliorer les performances. Divers sels autres que KOH conviennent, et certains peuvent mieux fonctionner. Les chercheurs ont également découvert que l'incorporation de KOH dans l'hydrogel autour des électrodes augmentait la production d'hydrogène. Enfin, il est possible que la modification du matériau ou de la structure des électrodes utilisées dans le fractionnement de l'eau puisse encore accélérer le processus.
Enfin, l'équipe a suggéré qu'il pourrait être utile pour plus que la simple production d'hydrogène. Au lieu d'eau de mer, ils ont immergé l'un des appareils dans une solution diluée de lithium et ont constaté qu'après 200 heures de fonctionnement, la concentration de lithium avait augmenté de plus de 40 fois en raison de l'eau entrant dans l'appareil. Il existe de nombreux autres contextes, comme le traitement des eaux contaminées, où cette capacité de concentration peut être utile.
Cela ne résout pas tous les problèmes liés à l'utilisation de l'hydrogène comme réserve d'énergie. Mais cela a certainement le potentiel de nous permettre de rayer "le besoin d'eau potable" de la liste de ces problèmes.
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