Qu’est-ce que la production d’hydrogène à partir de l’eau de mer ? Pourquoi tant d'attention ? Quelles sont les difficultés techniques ?

Pourquoi le succès de l’essai pilote de production d’hydrogène par électrolyse directe de l’eau de mer a-t-il autant retenu l’attention ? Est-ce difficile ? Quelles sont les difficultés techniques à surmonter pour produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau de mer ?

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Production d'hydrogène à partir de l'eau de mer

La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau est considérée comme une technologie de préparation d’hydrogène vert très importante. À l’heure actuelle, la technologie commercialisée d’électrolyse de l’eau utilise de l’eau douce comme électrolyte. Comme nous le savons tous, les ressources mondiales en eau douce sont extrêmement limitées, avec l'utilisation à grande échelle de l'hydroélectricité pour produire de l'hydrogène, ce qui a sans aucun doute aggravé la pénurie de ressources en eau douce. En revanche, l’eau de mer est riche en ressources, ce qui donne naissance à l’idée de « production d’hydrogène par l’eau de mer ».

Contrairement à l'eau douce, qui représente 96,5 % du volume total d'eau de la Terre, l'eau de mer a une composition complexe impliquant plus de 90 produits chimiques et éléments. Un grand nombre d'ions, de micro-organismes et de particules contenus dans l'eau de mer peuvent entraîner des problèmes tels qu'une compétition de réactions secondaires, l'inactivation du catalyseur et le blocage du diaphragme lors de la production d'hydrogène.

À cette fin, la technologie de production d’hydrogène utilisant l’eau de mer comme matière première a suivi deux voies différentes. Premièrement, la production directe d’hydrogène à partir de l’eau de mer, c’est-à-dire à partir de l’eau de mer naturelle, est principalement réalisée par électrolyse ou photolyse. Deuxièmement, la production indirecte d'hydrogène de l'eau de mer consiste à dessaler et à éliminer les impuretés de l'eau de mer, à dessaler l'eau de mer pour former d'abord de l'eau douce de haute pureté, puis à produire de l'hydrogène.

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Deux avantages majeurs

Les plates-formes offshore de production d’hydrogène peuvent être utilisées comme stockage à long terme d’énergie ou comme sites de production de produits chimiques fins, permettant ainsi à l’énergie verte d’être étroitement intégrée aux systèmes de production chimique.

La plate-forme offshore de production d'hydrogène peut résoudre le problème de la consommation d'électricité marine renouvelable de grande envergure, et l'utilisation d'électricité renouvelable pour produire de l'hydrogène et de l'ammoniac vert sur place pourrait devenir la principale méthode d'application de l'énergie marine renouvelable de grande envergure dans le avenir.

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Difficulté technique

Difficulté technique 1 : De nombreuses impuretés dans l'eau de mer affectent l'apparition du dégagement d'hydrogène cathodique

Dans le processus d'électrolyse de l'eau, H2 est précipité de la cathode, pour la réaction de dégagement d'hydrogène de la cathode, le problème le plus difficile est qu'il existe divers cations dissous dans l'eau de mer naturelle, tels que Na+, Mg2+, Ca2+, etc., en plus, il existe une variété de bactéries, de micro-organismes et de minuscules particules.

Ces impuretés obstrueront l'électrode avec la progression de l'électrolyse de l'eau de mer, puis empoisonneront ou accéléreront le vieillissement de l'électrode/catalyseur dans le système électrolytique, entraînant une mauvaise durabilité.

Difficulté technique 2 : les ions chlorure provoquent une corrosion anodique et affectent la réaction de dégagement d'oxygène anodique

Lors du processus d’électrolyse de l’eau, l’O2 est généralement précipité de l’anode. Cependant, la présence d'un grand nombre d'ions chlorure (Cl-) dans l'eau de mer provoquera une grave corrosion du matériau de l'anode, ce qui entraînera des dommages aux électrodes et une tension élevée, mettant ainsi fin à la réaction efficace de dégagement d'oxygène. De plus, la concentration élevée d'ions chlorure se produira également dans la réaction d'oxydation du chlore anodique, occupant le site actif du catalyseur, réduisant ainsi l'efficacité de la réaction de dégagement d'oxygène de l'anode.

Difficulté technique 3 : Compétition entre la réaction de dégagement anodique d'oxygène et la réaction de chloration de l'oxygène

Au cours du processus d'électrolyse de l'eau de mer, l'anode subira deux réactions, à savoir : la réaction de dégagement d'oxygène (OER) et la réaction de chloration de l'oxygène (ClOR). Réaction de dégagement d'oxygène : 4OH-→O2+H2O+4e- ; E0=1,23 V (par rapport à RHE)

Réaction d'oxydation du chlore : Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e- ; E0 = 1,71 V (par rapport à RHE)

On peut voir que l'E0 des deux est similaire, ce qui produira une relation de concurrence, ce qui limitera considérablement la tension de fonctionnement de l'électrolyseur. De plus, la réaction ClOR et la formation d'hypochlorite sont des réactions à deux électrons, et la réaction ClOR est plus facile à réaliser cinétiquement que la réaction OER à quatre électrons, de sorte que le surpotentiel OER est généralement supérieur à celui de ClOR.

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Statut de recherche

À l'heure actuelle, la production d'hydrogène à partir de l'eau de mer en est encore aux premiers stades de recherche et d'essais et se heurte encore à de nombreux défis, mais la recherche et le développement de la production d'hydrogène à partir de l'électrolyse de l'eau de mer ont fait certains progrès. En 2022, l'équipe de l'académicien Xie Heping a réalisé une percée originale majeure dans le domaine de la production directe d'hydrogène à partir de l'eau de mer et a établi de manière innovante un nouveau principe et une nouvelle technologie de production directe d'hydrogène à partir de l'eau de mer sans dessalement, entraînée par une transition de phase et une migration. Il existe de nombreux projets de démonstration de production d'hydrogène à partir de l'eau de mer dans le pays et à l'étranger, mais il s'agit encore de projets pilotes à petite échelle et la plupart d'entre eux sont en cours de construction ou proposés.

Bien que la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau de mer ait un long chemin à parcourir depuis les petits tests pilotes jusqu’à l’application industrielle finale à grande échelle. Cependant, nous pensons que sur la voie de l'hydrogène énergétique à l'échelle du billion, si cette technologie est finalement appliquée, elle laissera l'encre la plus profonde sur la voie de la « décarbonisation » !