Un horizon d’énergie à l’hydrogène s’éclaire grâce aux chercheurs israéliens

Pendant l’Exode, lors de la sortie d’Egypte, Dieu avait séparé la mer en deux pour sauver les Israélites. Quelques millénaires plus tard, un grand nombre de personnes, en Israël, considèrent que cette répétition du miracle – au niveau moléculaire, cette fois-ci – pourrait être déterminante pour aider à sauver le reste de la planète.

Dans le monde entier, la promesse que représente l’hydrogène comme source d’énergie – il est récolté en séparant et en réunissant les éléments qui constituent l’eau – est au cœur de la prochaine révolution en termes d’énergie propre.

Cette technologie en est encore à ses balbutiements mais le gouvernement, comme le secteur privé, investissent beaucoup d’argent de manière à développer divers moyens qui permettront d’utiliser l’hydrogène de manière plus puissante et plus efficace, tout en réduisant les coûts.

De leur côté, l’Extrême-Orient et l’Europe, ainsi qu’une partie des Etats-Unis, injectent des milliards pour pouvoir créer des infrastructures à l’hydrogène qui viendront alimenter en énergie les transports routiers, l’industrie lourde et même les foyers.

Israël, ce pays minuscule, ne construit pas de véhicules et ne possède pas d’industrie lourde. De plus, le ministère de l’Energie se concentre sur le remplacement du charbon par le gaz naturel, moins polluant, et sur la nécessité d’établir les infrastructures indispensables pour atteindre son objectif : qu’avant 2030, 30 % de l’énergie utilisée dans le pays soit issue des sources renouvelables – le solaire en premier lieu.

Vue aérienne de panneaux solaires à proximité de la ville d’Eilat, dans le sud du pays. (Crédit : Moshe Shai/FLASH90)

Mais les grosses compagnies, à l’étranger, se sont arraché de nombreuses innovations israéliennes.

L’exemple le plus important est l’acquisition, en 2017, de Mobileye – développeur de vision avancée et de systèmes de conduite automobile autonome basé à Jérusalem – par le géant américain Intel Corp. au prix de 15,3 milliards de dollars, pour aider ce dernier à maintenir son positionnement d’acteur technologique leader sur le marché de la voiture autonome qui s’ouvre rapidement et de plus en plus.

Mais la Start-Up Nation ne serait-elle pas en mesure de ramener une nouvelle fois une technologie géniale pour le secteur économique mondial de l’hydrogène ?

Plus propre et plus sûr que les énergies fossiles

Un seul kilogramme d’hydrogène fournit autant d’énergie que 7,4 litres d’essence.

Il peut être stocké, il peut être transporté sur d’importantes distances, il est plus sûr que les énergies fossiles et il est complètement propre. Son seul produit en termes de déchet est l’eau.

Et comme il peut être produit partout où il y a de l’eau et une source d’électricité, il peut offrir une indépendance énergétique pour des pays qui, le cas échéant, s’appuieraient sur des énergies obtenues à partir du charbon, du pétrole et du gaz naturel.

L’hydrogène doit être fabriqué, parce qu’il ne se forme naturellement sur terre que lorsqu’il est mis en contact avec d’autres éléments. Parmi ces derniers, l’oxygène, qui se combine avec l’hydrogène pour former de l’eau, et le carbone qui, lorsqu’il se mélange à l’hydrogène, est à l’origine des hydrocarbures trouvés dans les énergies fossiles.

Jusqu’à présent, l’hydrogène a été fabriqué dans le monde entier pour produire de l’ammoniaque pour les fertilisants, ainsi que pour fabriquer des carburants comme le diesel et le kérosène à partir du pétrole. La NASA et le programme spatial russe utilisent de l’hydrogène dans leur propergol depuis des décennies.

La NASA déplace un réservoir d’hydrogène liquide à Huntsville, dans l’Alabama, pour le tester dans le cadre du projet d’un éventuel nouveau départ vers la Lune, le 14 décembre 2018. (Crédit : Rebecca Santana, pour l’AP)

Mais les procédés traditionnels actuellement utilisés sont polluants, inefficaces et coûteux.

Aujourd’hui, face à la nécessité urgente de réduire les émissions de carbone et alors que les amendes venant sanctionner l’émission de CO2 deviennent de plus en plus importantes en Europe et ailleurs, la course au développement de l’hydrogène en tant qu’alternative énergétique propre, efficace et moins onéreuse a été lancée.

Piles à combustible vs. Batteries

Environ 70 millions de tonnes d’hydrogène sont produites chaque année. Une quantité qui devrait être multipliée par dix au cours des ces trente prochaines années, alors que des pays asiatiques – notamment la Chine, le Japon et la Corée du Sud – et des pays européens, comme l’Allemagne et la France, exercent des pressions en faveur du développement d’une économie de l’hydrogène.

Les batteries électriques – qui, selon le directeur-général du constructeur de voiture électrique Tesla, Elon Musk, sont la clé de l’avenir – sont actuellement plus efficaces que l’énergie issue de l’hydrogène, et c’est la raison pour laquelle Israël les utilisera, au cours de la prochaine décennie, pour stocker les énergies renouvelables.

Des voitures Model 3 de Tesla en vente à Littleton, dans le Colorado, le 26 avril 2020. (Crédit : AP Photo/David Zalubowski)

Mais elles restent encore onéreuses, encombrantes et inadaptées pour de gros véhicules et sur de longues distances en raison de l’espace qu’elles occupent et de la nécessité de s’arrêter pendant des heures pour effectuer un ravitaillement, et cette sorte d’hydrogène est donc explorée sous forme d’alternative (en allant dans une direction différente, une compagnie israélienne qui s’appelle ElectReon est pionnière dans l’invention de câbles souterrains capables de recharger les véhicules en circulation sur les routes où ils sont installés).

La recherche sur l’hydrogène se focalise sur les électrolyseurs et les piles à combustible.

Les piles à combustible sont des équipements dans lesquels des électrolyseurs utilisent l’électricité pour séparer les éléments qui forment l’eau – l’hydrogène d’une part et l’oxygène de l’autre. Jusqu’à présent, le courant électrique utilisé pendant le processus d’électrolyse a été fourni par des énergies fossiles mais ces dernières peuvent être remplacées par des sources renouvelables moins polluantes et moins chères, comme l’énergie solaire.

Un empilement de piles à combustible CFY pendant l’inauguration de l’un des plus grands instituts de recherche d’Allemagne, le BITC (Centre d’innovation et de technologie des batteries) au sein de l’Institut Fraunhofer de technologies et de systèmes céramiques, l’IKTS, à Arnstadt, en Allemagne, le 10 juillet 2020. (Crédit : AP Photo/Jens Meyer)

Lorsqu’une alimentation en énergie est nécessaire – pour la conduite d’une voiture, par exemple – l’hydrogène et l’oxygène sont réunis à l’intérieur du carburant par le biais d’un catalyseur qui entraîne une réaction électrochimique entre les deux éléments, une réaction qui crée de l’énergie.

Ces systèmes sont propres et silencieux et ne nécessitent pas de rechargement, contrairement aux batteries, et continuent à produire de l’électricité tant qu’il reste de l’hydrogène.

Ils peuvent atteindre une densité dix fois supérieure à certaines de meilleures batteries présentes sur le marché, ce qui signifie qu’ils peuvent durer dix fois plus longtemps ou permettre à un véhicule de parcourir une longue distance tout en laissant une empreinte carbone largement plus basse.

Mais il y a encore de gros obstacles à franchir avant que cette technologie ne devienne efficace au niveau du coût. Le platine, qui est utilisé dans de nombreux catalyseurs, par exemple, peut rendre les piles à combustible plus chères à produire que l’extraction, le transport et le raffinage des carburants fossiles. Les piles doivent également gagner en solidité.

Un haut-responsable du ministère de l’Energie a déclaré au Times of Israël : « Nous pensons assurément que l’hydrogène aura sa place à l’avenir mais aujourd’hui, il reste encore cher et il n’est pas intéressant économiquement pour la plupart de ses potentielles utilisations. »

Il ajoute que « actuellement, le stockage via l’hydrogène est efficace à moins de 50 % et les batteries sont bien plus performantes. L’hydrogène n’est pas encore prêt à être pleinement déployé au niveau commercial mais nous et d’autres investissons dedans pour que cela puisse devenir le cas ».

Le Consortium des piles à combustible israélien

Lior Elbaz, ingénieur chimique israélien et professeur associé à l’université Bar-Ilan, située à proximité de Tel Aviv, travaille actuellement, et pour la deuxième fois, en tant que scientifique invité au Laboratoire national Los Alamos, au Nouveau-Mexique. Connu pour avoir développé la bombe atomique américaine, le laboratoire est aujourd’hui leader dans la recherche sur les piles à combustible.

Après un premier passage au laboratoire pour ses recherches post-doctorat, Elbaz est retourné au sein de l’Etat juif et a persuadé le bureau du Premier ministre (qui coordonne l’Initiative interministérielle des choix énergétiques et de la mobilité intelligente) de le laisser réunir certains des meilleurs cerveaux de toutes les universités israéliennes sous un seul consortium appelé le Consortium des piles à combustible. Aujourd’hui, douze chercheurs de tout le pays collaborent sur des projets d’amélioration de la durabilité des piles à combustible et sur la réduction des coûts.

Lior Elbaz, professeur associé à l’université Bar-Ilan et chef du Consortium israélien des piles à combustible. (Autorisation : Professeur Elbaz)

Le laboratoire d’Elbaz à l’université Bar-Ilan a notamment développé des piles à combustibles alimentées à l’énergie solaire qui, avec un peu de chance, devraient entrer sur le marché pour être utilisées dans les foyers dans les trois à cinq prochaines années. Elbaz précise qu’elles durent trois à quatre fois plus longtemps que ses produits concurrents et qu’elles affichent une empreinte carbone cinq à six fois plus basse.

Ce système permettra aux habitations de devenir auto-suffisantes en énergie et de décharger le trop-plein énergétique vers le réseau national.

Avec le soutien de l’Autorité de l’innovation israélienne et le département de recherche du ministère de la Défense, les douze chercheurs sont dorénavant prêts à mettre leurs idées en pratique en créant un consortium universitaire-industriel intégrant les deux plus importantes entreprises travaillant dans le secteur des piles à combustible, GenCell and PO-CellTech.

Faire baisser les prix

Dans une innovation séparée, qui n’est pas liée au Consortium des piles à combustible, des chercheurs du Grand programme énergétique du Technion – institut de technologie à Haïfa, dans le nord d’Israël –, ont consacré leurs travaux à l’électrolyse, le processus entraînant la réaction chimique, mettant au point une méthode innovante qui sépare l’hydrogène et l’oxygène en plusieurs étapes – une technique qui utilise l’électricité de manière plus efficace.

De droite à gauche : le docteur Hen Dotan, le professeur Avner Rothschild, la docteur Avigail Grader et le professeur Gideon Grader du Technion – Institut israélien de la technologie. (Autorisation : Technion)

Selon le professeur Gideon Grader, ancien doyen du département de génie chimique au sein du Technion, cette méthode permettra d’améliorer l’efficacité de l’électrolyse en la faisant passer de 70 % à 75 % aujourd’hui à 95 %, et réduira les investissements de capitaux nécessaires.

Les scientifiques à l’origine de cette avancée – la professeure Grader et le professeur Avner Rothschild, membres du département du génie et des sciences des matériaux, Hen Dotan et Avigail Landman (qui passait son doctorat au moment des recherches), se sont depuis associés à certains des cerveaux à l’origine des applications populaires Viber, Juno et iMesh – avec parmi eux Talmon Marco – pour créer H2PRO, qui officiera lors du développement commercial du produit.

Le fabricant automobile sud-coréen Hyundai et Sumitomo, un groupe commercial massif du Japon, se sont d’ores et déjà manifestés auprès des scientifiques.

L’exploitation des plantes

L’une des techniques les plus curieuses et inhabituelles permettant de créer de l’hydrogène a été trouvée lors de recherches effectuées par le professeur Iftach Yacoby, de l’université de Tel Aviv, en collaboration avec le professeur Kevin Redding de l’université de l’Arizona et deux étudiants, Andrey Kanygin et Yuval Milrad.

Le professeur Iftach Yacoby de l’université de Tel Aviv, qui collabore avec le professeur Kevin Redding de l’Université de l’Arizona et deux étudiants, Andrey Kanygin et Yuval Milrad, sur une méthode permettant de créer de l’hydrogène et de fournir de l’électricité. (Autorisation : Iftach Yacoby)

Dans ce qui ressemble à de la science-fiction, l’équipe est parvenue à utiliser une plante pour générer de l’électricité et créer de l’hydrogène, comme l’a rapporté, au début de l’année, le journal Energy and Environmental Science.

« Tous les végétaux sont une usine chimique », confie Yacoby au Times of Israël. « Comme les panneaux solaires, les plantes et les algues utilisent la chlorophylle pour canaliser l’énergie du soleil et la transformer en courant électrique. »

La réussite de l’équipe a été de mettre en évidence la source du courant électrique dans des cellules de microalgues, puis d’attacher à cette source, par le biais d’une modification électrique, un enzyme appelé l’hydrogénase. Ainsi équipée, l’algue a commencé à produire de l’hydrogène au cours d’un processus durable et écologique.

Yacoby explique que « notre évaluation la plus optimiste, c’est que l’hydrogène qui est produit par les plantes pourra, un jour, devenir l’équivalent en termes de valeur économique aux céréales et que ces plantes deviendront aussi importantes, en ce qui concerne la sécurité énergétique, que le sont les céréales [comme le blé] pour notre sécurité alimentaire ».

Stocker l’hydrogène

Le développement d’un stockage à base d’hydrogène pour les énergies durables obtenues à partir de sources telles que le soleil pourrait être essentiel dans la résolution de l’un des plus gros problèmes posés par le défi des énergies renouvelables – celui qu’elles cessent d’être fournies lorsque le soleil ne brille pas ou que le vent ne souffle pas.

Aujourd’hui, les exigences énergétiques pour le stockage de l’hydrogène sont très coûteuses. Des réservoirs à haute-pression sont nécessaires pour comprimer le volume d’hydrogène sous forme gazeuse. Alors que le gaz ne devient liquide qu’à une température de moins 252.9°C, son stockage et son transport sous forme liquide impliquent de mettre en place des systèmes de refroidissement intensifs en termes énergétiques et de l’isoler de manière sophistiquée.

La firme israélienne GenCell, dont le personnel comprend de nombreux vétérans des projets spatiaux Apollo et Mir, a développé un moyen d’utiliser l’hydrogène en le stockant dans l’ammoniaque pour un approvisionnement en énergie hors-réseau ou d’appoint qui peut être utilisé dans toute une gamme d’applications. L’ammoniaque comprend de l’hydrogène et du nitrogène. Lorsqu’il y a un besoin en l’hydrogène, ce dernier est séparé du nitrogène qui s’évacue, en toute sécurité, dans l’air. Il est alors utilisé par le générateur de piles à combustible de la compagnie pour créer de l’électricité.

La solution énergétique hors-réseau A5 de GenCell peut être exploitée en permanence, pendant une année entière, à partir d’un seul réservoir d’ammoniaque de douze tonnes. (Autorisation)

Mais l’ammoniaque a aussi besoin d’être mise sous pression pour être conservée sous une forme liquide.

Le professeur David Milstein de l’Institut Weizmann. (Capture d’écran : YouTube)

À l’Institut Weizmann des Sciences, à Rehovot, une équipe dirigée par le professeur David Milstein, lauréat du prix d’Israël, a découvert une solution pour le stockage de l’hydrogène qui n’exige aucune mise sous pression, qui utilise des liquides organiques communs comme l’éthylène glycol (qui est aussi connu sous le nom d’antigel) et qui emploie un métal bien moins cher que le platine pour fabriquer les catalyseurs. Les liquides peuvent également être régénérés par l’ajout d’hydrogène sous forme gazeuse, et peuvent être stockés sous cette forme pendant une période indéfinie, dans des conditions ambiantes. Le concept a fait ses preuves et il s’agit dorénavant de transformer cette découverte scientifique en réalité technologique pour le stockage, la génération et la régénération de l’hydrogène.

Israël et le marché de l’hydrogène

D’un point de vue commercial, il y a, en Israël, une entreprise capable de séparer l’eau, H2PRO, et deux firmes travaillant sur les piles à combustible, GenCell et PO-CellTech – cette dernière appartient au groupe Elbit Systems. GenCell, par exemple, approvisionne d’ores et déjà en piles à combustibles de soutien le système de transports souterrain de la ville de Mexico.

Toutes les principales entreprises énergétiques israéliennes sont tournées vers un avenir s’appuyant sur l’hydrogène. Sonol prévoit ainsi de construire la première station de ravitaillement en hydrogène dans les trois ans à venir. Paz investit dans GenCell, ainsi que le géant de la fabrication de composants électroniques TDK et l’entrepreneur israélien Benny Lamda. Les raffineries pétrolières Bazan, dans la baie de Haïfa, dont les jours paraissent comptés, ont établi un centre d’innovation, acheté des parts dans H2PRO et cherchent dorénavant à devenir un acteur sérieux sur le marché de l’hydrogène.

Même la compagnie d’Etat Petroleum & Energy Infrastructures Ltd. (PEI), responsable des infrastructures énergétiques, travaille actuellement sur une stratégie de stockage d’ampleur de l’hydrogène.

La main tendue du gouvernement

Déjà en 2011, le bureau du Premier ministre israélien avait lancé l’Initiative des choix énergétiques – une organisation-cadre réunissant les ministères, les entreprises et les universitaires et coordonnant tous les aspects académiques, de la recherche et du développement commercial des alternatives aux énergies fossiles.

L’Initiative comprend le centre de recherche national israélien pour la propulsion électrochimique (INREP) qui finance la Recherche et le Développement, depuis les recherches académiques jusqu’aux essais-pilotes et aux projets de démonstration. Regroupant en son sein des scientifiques issus de toutes les universités de l’Etat juif, le centre s’est fixé comme objectif de faire avancer les recherches dans les véhicules électriques, les batteries, et la technologie des piles à combustible dans le secteur du transport. L’Autorité de l’innovation soutient les investisseurs et les start-ups technologiques israéliennes qui travaillent dans ce domaine.

Le modèle d’avion électrique EViation au sommet Israel Fuel Choices Initiative de Tel Aviv, le 3 novembre 2016. (Crédit : Melanie Lidman/Times of Israel)

Le gouvernement a également aidé à financer la création du Centre israélien d’excellence de la recherche (ICORE). L’une de ses ramifications, dirigée par le professeur Gideon Grader, regroupe 40 chercheurs issus des meilleures institutions académiques du pays, certains d’entre eux spécialistes des technologies de l’hydrogène.

Et le ministre de l’Energie finance des projets – notamment la station de ravitaillement en hydrogène que compte construire Sonol et les initiatives prises par PO-CellTech, Elbit et GenCell.

« Je pense que nous aurons des stations de ravitaillement à l’hydrogène d’ici 2020 », prédit Grader. « On commence à parler de régulations. Mais on verra très certainement ce type de projet mis en œuvre ailleurs avant cela, en particulier en Extrême-Orient. En Israël, les choses avancent lentement. »