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Stanford dévoile une technologie révolutionnaire de combustible liquide pour le stockage d'énergie sur réseau

SciTechDaily

La Californie a besoin de nouvelles technologies pour le stockage d’énergie alors qu’elle passe aux carburants renouvelables en raison des fluctuations de l’énergie solaire et éolienne. Une équipe de Stanford, dirigée par Robert Waymouth, développe une méthode pour stocker l'énergie dans des carburants liquides à l'aide de transporteurs d'hydrogène organiques liquides (LOHC), en se concentrant sur la conversion et le stockage de l'énergie dans l'isopropanol sans produire d'hydrogène gazeux. (Concept de l'artiste.) Crédit : Issues.fr.com

Les scientifiques de Stanford améliorent les méthodes de stockage des combustibles liquides en développant de nouveaux systèmes catalytiques pour la production d'isopropanol afin d'optimiser la rétention et la libération d'énergie.

Alors que la Californie passe rapidement aux carburants renouvelables, elle a besoin de nouvelles technologies capables de stocker de l’énergie pour le réseau électrique. L’énergie solaire diminue la nuit et diminue en hiver. L’énergie éolienne va et vient. En conséquence, l’État dépend fortement du gaz naturel pour aplanir les hauts et les bas de l’énergie renouvelable.

« Le réseau électrique utilise l'énergie au même rythme que vous la produisez, et si vous ne l'utilisez pas à ce moment-là et que vous ne pouvez pas la stocker, vous devez la jeter », a déclaré Robert Waymouth, directeur de Robert Eckles Swain. Professeur de chimie à la Faculté des Lettres et des Sciences.

Waymouth dirige une équipe de Stanford qui explore une technologie émergente pour le stockage des énergies renouvelables : les transporteurs d'hydrogène organique liquide (LOHC). L’hydrogène est déjà utilisé comme carburant ou comme moyen de production d’électricité, mais son confinement et son transport sont délicats.

« Nous développons une nouvelle stratégie pour la conversion sélective et le stockage à long terme de l'énergie électrique dans des carburants liquides », a déclaré Waymouth, auteur principal d'une étude détaillant ce travail dans le Journal de l'American Chemical Society. « Nous avons également découvert un nouveau système catalytique sélectif permettant de stocker l'énergie électrique dans un carburant liquide sans générer d'hydrogène gazeux. »

Piles liquides

Les batteries utilisées pour stocker l’électricité pour le réseau – ainsi que les batteries des smartphones et des véhicules électriques – utilisent des technologies lithium-ion. En raison de l’ampleur du stockage d’énergie, les chercheurs continuent de rechercher des systèmes susceptibles de compléter ces technologies.

Parmi les candidats figurent les LOHC, qui peuvent stocker et libérer de l'hydrogène à l'aide de catalyseurs et de températures élevées. Un jour, les LOHC pourraient fonctionner largement comme des « batteries liquides », stockant l’énergie et la restituant efficacement sous forme de carburant ou d’électricité utilisable en cas de besoin.

L'équipe de Waymouth étudie l'isopropanol et l'acétone en tant qu'ingrédients des systèmes de stockage et de libération d'énergie hydrogène. L'isopropanol – ou alcool à friction – est une forme liquide d'hydrogène à haute densité qui pourrait être stockée ou transportée via les infrastructures existantes jusqu'à ce qu'il soit temps de l'utiliser comme carburant dans une pile à combustible ou de libérer l'hydrogène pour l'utiliser sans émettre de dioxyde de carbone.

Pourtant, les méthodes permettant de produire de l’isopropanol avec de l’électricité sont inefficaces. Deux protons de l'eau et deux électrons peuvent être convertis en hydrogène gazeux, puis un catalyseur peut produire de l'isopropanol à partir de cet hydrogène. « Mais vous ne voulez pas d'hydrogène gazeux dans ce processus », a déclaré Waymouth. « Sa densité énergétique par unité de volume est faible. Nous avons besoin d’un moyen de fabriquer de l’isopropanol directement à partir de protons et d’électrons sans produire d’hydrogène gazeux.

Daniel Marron, auteur principal de cette étude et qui a récemment terminé son doctorat en chimie à Stanford, a identifié comment résoudre ce problème. Il a développé un système catalytique permettant de combiner deux protons et deux électrons avec de l'acétone pour générer sélectivement de l'isopropanol LOHC, sans générer d'hydrogène gazeux. Il l'a fait en utilisant l'iridium comme catalyseur.

Une grande surprise a été que le cobaltocène soit l'additif magique. Le cobaltocène, un composé chimique du cobalt, un métal non précieux, est utilisé depuis longtemps comme simple agent réducteur et est relativement peu coûteux. Les chercheurs ont découvert que le cobaltocène est exceptionnellement efficace lorsqu'il est utilisé comme co-catalyseur dans cette réaction, fournissant directement des protons et des électrons au catalyseur à l'iridium plutôt que de libérer de l'hydrogène gazeux, comme prévu auparavant.

Un avenir fondamental

Le cobalt est déjà un matériau courant dans les batteries et est très demandé. L'équipe de Stanford espère donc que sa nouvelle compréhension des propriétés du cobaltocène pourra aider les scientifiques à développer d'autres catalyseurs pour ce processus. Par exemple, les chercheurs explorent des catalyseurs de métaux non précieux plus abondants, tels que le fer, pour rendre les futurs systèmes LOHC plus abordables et plus évolutifs.

« Il s'agit d'une science fondamentale fondamentale, mais nous pensons avoir une nouvelle stratégie pour stocker de manière plus sélective l'énergie électrique dans les carburants liquides », a déclaré Waymouth.

À mesure que ces travaux évoluent, on espère que les systèmes LOHC pourraient améliorer le stockage d’énergie pour les secteurs industriels et énergétiques ou pour les parcs solaires ou éoliens individuels.

Et malgré tout le travail complexe et exigeant en coulisses, le processus, tel que le résume Waymouth, est en fait assez élégant : « Lorsque vous avez un excès d'énergie et qu'il n'y a pas de demande sur le réseau, vous la stockez sous forme d'isopropanol. Lorsque vous avez besoin d’énergie, vous pouvez la restituer sous forme d’électricité.

Les autres co-auteurs de Stanford sont Conor Galvin, PhD '23, et Julia Dressel, doctorante. Waymouth est également membre de Stanford Bio-X et du Stanford Cancer Institute, membre du corps professoral de Sarafan ChEM-H et affilié au Stanford Woods Institute for the Environment.

Ce travail a été financé par la National Science Foundation.

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