En route vers le stockage chimique de l’énergie solaire

On le sait depuis longtemps, les plantes ont la capacité non seulement d’absorber la lumière du soleil mais aussi de stocker son énergie chimique. Imiter ce processus à une échelle industrielle reste toutefois difficile.

Le photovoltaïque convertit la lumière du soleil en électricité, mais à des températures élevées, l’efficacité des cellules solaires diminue. L’énergie électrique peut également être utilisée pour produire de l’hydrogène, pour ensuite être stockée – mais le rendement énergétique de ce procédé reste très limité.

Les scientifiques de l’Université technique de Vienne (TU Wien) ont mis au point un concept innovant : En associant des nouveaux matériaux hautement spécialisés, ils ont réussi à combiner l’énergie photovoltaïque à haute température avec une cellule électrochimique. La lumière ultraviolette peut ainsi être directement utilisée par la pompe à ions-oxygène à travers un électrolyte à oxyde solide. L’énergie de la lumière UV est stockée chimiquement.

Dans le futur, ce procédé pourrait également être utilisé pour décomposer l’eau en hydrogène et oxygène.

Matériaux spéciaux pour hautes températures

En tant qu’étudiant à la TU Wien, Georg Brunauer commencé à réfléchir sur les combinaisons possibles de l’énergie photovoltaïque avec le stockage électrochimique. La faisabilité d’un tel système dépend de sa façon de fonctionner à des températures élevées. "Cela nous permettrait de concentrer la lumière du soleil avec des miroirs et de construire des centrales à grande échelle avec un taux élevé d’efficacité", explique Georg Brunauer. Les cellules photovoltaïques fonctionnent correctement jusqu’à 100°C. Dans une centrale thermique à concentration solaire des températures beaucoup plus élevées seraient atteintes.

Tout en travaillant sur sa thèse de doctorat, le chercheur a réussi à mettre ses idées en pratique. La clé du succès réside dans un choix inhabituel de matériaux. Au lieu du photovoltaïque à base de silicium, des oxydes de métaux spéciaux – pérovskites – ont été utilisés. En combinant plusieurs oxydes métalliques différents, il a réussi à assembler une cellule qui combine à la fois l’énergie photovoltaïque et électrochimique.

Tension et pompe à ions

"Notre cellule est constituée de deux parties distinctes – une partie photoélectrique sur le dessus et une partie électrochimique en dessous", a précisé Georg Brunauer. "Dans la couche supérieure, la lumière ultraviolette crée des porteurs de charge, tout comme dans une cellule solaire standard." Les électrons à ce niveau sont immédiatement retirés et se déplacent vers la couche inférieure de la cellule électrochimique. Une fois sur place, ces électrons sont utilisés pour ioniser l’oxygène en ions-oxygène négatifs, qui sont ensuite libérés à travers une membrane dans la partie de la cellule électrochimique.

"Ceci est l’étape cruciale de la photoélectrochimie, qui nous l’espérons, mènera vers la possibilité de fractionner l’eau et produire de l’hydrogène", a ajouté Georg Brunauer. Dans la première étape, la cellule fonctionne comme une lampe UV conduisant la pompe à oxygène. Elle produit une tension de courant allant jusqu’à 920 millivolts à une température de 400°C.

La cellule photo-électrochimique a été présentée dans la revue Advanced Functional Materials, mais le projet de recherche continue.

"Nous voulons comprendre l’origine de ces effets en effectuant d’autres expériences, et nous espérons que nous serons en mesure d’améliorer davantage nos matériaux". Si la puissance électrique peut être augmenté légèrement, la cellule sera alors capable de décomposer l’eau en hydrogène et oxygène. "Cet objectif est à portée de main maintenant que nous avons montré que la cellule fonctionne" a conclu Georg Brunauer.

Le concept pourrait également séparer le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone. L’énergie produite sous la forme d’un atome d’hydrogène et de monoxyde de carbone pourrait cette fois être utilisée pour synthétiser des carburants.

** Plusieurs partenaires de recherche (TU Wien) ont contribué au projet. Georg Brunauer est membre de l’équipe de recherche du professeur Karl Ponweiser à l’Institut pour les systèmes énergétiques et thermodynamique. Ont participé, le groupe du Prof. Jürgen Fleig (Technologies chimiques et Analytics) et l’Institut de Physique atomique et subatomique.

( Src : TU Wien )

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19 Commentaires sur "En route vers le stockage chimique de l’énergie solaire"

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etienne44
Invité

L’idée est séduisante. Cependant la verification du bilan carbone de la solution proposée mérite d’être réalisé, dans la mesure où la fabrication et la destruction de panneaux complexes et l’usage de produits chimiques doit contribuer à des rejets de CO2 non négligeable. Il serait intéressant de définir à partir de quel moment la solution proposée rejette moins de CO2 qu’une centrale à gaz naturel par exemple. On sait par exemple que le bilan CO2 d’une voiture électrique en Allemagne est NEGATIF par rapport au diésel!!

etienne44
Invité

L’idée est séduisante. Cependant la verification du bilan carbone de la solution proposée mérite d’être réalisé, dans la mesure où la fabrication et la destruction de panneaux complexes et l’usage de produits chimiques doit contribuer à des rejets de CO2 non négligeable. Il serait intéressant de définir à partir de quel moment la solution proposée rejette moins de CO2 qu’une centrale à gaz naturel par exemple. On sait par exemple que le bilan CO2 d’une voiture électrique en Allemagne est NEGATIF par rapport au diésel!!

enerc77
Invité
Pour monter à 400°, il faut du solaire à concentration, donc un ciel parfaitment bleu sans nuages. Autant dire que ce n’est pas applicable à l’Europe. En zone désertique, on a déja le solaire à sel fondus (ou huile) qui permet le stockage de la chaleur et sa restitution pendant la nuit (exemples au Maroc et au US). Mais les zones désertiques sont loins des grandes zones urbaines, donc compression de l’hydrogène et pipelines? A moins d’utiliser cet H2 localement dans des rafineries sur des sites pétroliers, je ne vois pas trop l’intéret. Le PV en couche mince qui lui… Lire plus »
enerc77
Invité

La consommation réelle d’un VE est de 15kWh pour 100km. Soit 67 g de CO2/100 km (mix à 450 g/kWh). Si on ramène au diesel (2,6 kg CO2 / litre), ça fait 2,6 litre au 100. Vous connaissez des voitures qui consomment 2,6 l/100 dans la vie réelle (je ne parle pas des homologations – pour ne pas dire truquées…) Bien sur , il y a la fabrication de la batterie et son recyclage. Mais il faut aussi prendre en compte le bilan CO2 d’un moteur et de son recyclage.

etienne44
Invité
D’accord sur les évamluations et le calcul précédent, …. à un détail près, essentiel! Les 15KWh consommés aux 100km doivent être majorés par un coefficient couvrant les pertes de rendement des centrales et en lignes HT de transport pour passer de l’énergie utilisable dans le VE à l’énergie consommée par les centrales pour la produire. Selon la réglementation RT 2012, quand on consomme 1KWH électrique dans un logement, il faut 2,58 KWH à l’origine pour le mettre à disposition du client. Il n’y a pas de raison de ne pas appliquer ce coefficient dans la mesure où la VE serait… Lire plus »
enerc77
Invité
2,58 kWh thermique pour produire 1 kWh électrique oui. On ne perd pas 1,58 kWh par kWh produit heureusement. Les données CO2 dans le mix prennent déja en compte les pertes de rendement thermique dans les centrales. Il y a des PRO sur ce forum Enerzine qui vont surement affiner mes chiffres, mais les pertes en lignes sont de 5% à 10% environ, auquel il faut ajouter 10% de pertes lors du chargement des batteries. Les 15 kWh pour 100 km sont généralement comptés à la pompe (la prise), mais cela dépend de la façon de conduire (pépère ou nerveux).… Lire plus »
6ctsimple
Invité

Vous confondez émissions de CO2 et calcul vaseux d’énergie primaire via la RT2012 ( a priori pas applicable en Allemagne au demeurant!). Si vous voulez calculer les émissions de CO2 d’un véhicule electrique en Allemagne c’est le premier calcul d’Enerc77 qui est le bon: nombre de kWh/100km x 450g/kWh (environ, c’est la moyenne allemande) Après vous pouvez raffiner avec les pertes en ligne ( environ 5%) et les pertes lors de la charge (10%, je ne sais pas trop?) .

6ctsimple
Invité

C’est le coefficient qui est vaseux…Et il est effectivement stupide… Et dans tous les cas il n’a aucune validité en matière de calcul d’émissions de CO2. La consommation d’énergie primaire ne détermine pas les émissions de CO2 contrairement à ce que vous dites, parce que par définition ça dépend de l’energie primaire en question. Concernant un document allemand me prouvant qu’il s’agit bien d’une valeur ” à la prise””, je vais devoir me retourner vers notre spécialiste du sujet, en plus germanophone….. Vous pouvez en attendant trouver un aperçu ( et peut-être plus) ici:

Dan1
Invité

Pas besoin de faire trop de calcul pour estimer le CO2 des véhicules électrique puisque d’autres l’ont déjà fait : Mais le sujet essentiel est de savoir de quoi on parle : Est-ce le bilan carbone de la seule consommation de carburant ?* ou bien s’agit-il du bilan sur l’ensemble du cycle de vie (ACV) incluant la fabrication des composants (y compris le fer et et le cuivre qui sortent de la mine) et l’assemblage final jusqu’au recyclage ? Evidemment le résultat n’est pas du tout le même.

enerc77
Invité
Profitons de notre énergie nucléaire décarbonnée tant qu’il est encore temps. A ce propos, l’avis de l’ASN sur l’unité UP3-A de la Hague publié le 24/02 est bien inquitétant. En résumé, l’acide nitrique bouillant ronge les parois de la cuve qui risque de céder. La où c’est plus embétant c’est ce qu’écrit l’ASN: “Du fait de l’exclusion de l’hypothèse d’une rupture franche des évaporateurs et de leur circuit de chauffe, le réseau de ventilation et de filtration d’air des casemates où sont situés ces équipements n’est pas conçu pour ce scénario d’accident. Dans une telle hypothèse, ni le maintien d’une… Lire plus »
matthieu
Invité
Bonjour à tous, Oui c’est clair que 550 kgCO2/kWh se base sur l’électricité du mix final au consommateur allemand (“deutschen Strommix”). C’est ce qu’on appelle un GEF (grid emission factor), courant dans le monde des projets CDM (réduction GES sous protocole de Kyoto) dont je suis issu. Voir document: En commentaire de l’article : L’énergie primaire se note typiquement en TEP ou TOE, et l’énergie thermique en TJ ou calories. kWh est réserve à l’électricité active. Les pertes en ligne dépassent rarement 10% (30% dans le cas spécial de la Suède et ses grandes distances entre les barrages et les… Lire plus »
6ctsimple
Invité

Je n’ai lu que le résumé. J’en ai retenu qu’en fait, si on achète une voiture pour ne pas s’en servir, il vaut mieux ( sur un plan ACV bien entendu) acheter un véhicule thermique. Heureusement qu’on a l’ADEME! PS: je plaisante, il y a par ailleurs des éléments plutôt interessants, au moins en relatif car les valeurs absolues sont et seront certainement à réactualiser fréquemment.

6ctsimple
Invité

avant-dernière page du résumé: “Cette étude met en évidence l’importance cruciale du bouquet électrique pour l’intérêt environnemental du véhicule électrique. ” Ca confirme, heureusement qu’on a l’Ademe!

enerc77
Invité

J’ai aussi été surpris par l’ampleur des émissions de dioxyde de soufre pour l’extraction du cobalt. C’était déja il y a quelques années, et les industriels ont peut être mis des filtres (enfin espérons).. Cela concerne aussi nos chers smartphones qui sont pleins de cobalt et dont on laisse les batteries dans la voiture en pleine chaleur histoire de les détruire…..

Dan1
Invité

Rapport déjà cité sur Enerzine par Zalem en février 2015 :

6ctsimple
Invité
A dan1: 10/02/2015, j’étais en vacances très loin, ça explique…. A enerc77: J’ai été également surpris dans un premier temps par le poids du SO2. Le problème des études ACV c’est que c’est centré sur son objet sans forcément replacer ça dans des chiffres plus globaux. 60kg de SO2 par véhicule nous dit l’étude. So what? Il y a une vingtaine d’années, c’est pas si vieux, une unité charbon de 600MW en Europe, non équipée de désulfuration, ça émettait environ 6tSO2/heure pour un charbo peu souffré , soit l’équivalent de 100 batteries construites (par heure). 800.000 véhicules electriques construits par… Lire plus »
6ctsimple
Invité

car je ne suis pas certain que mon message ci-dessus soit clair. Un développement accéléré du VE, même à 60kg/véhicule d’émissions de SO2 par véhicule sur sa durée de vie (chiffre de l’ademe), sera très peu contributeur aux émissions globales de SO2 par rapport à la situation des émissions mondiales d’il y a a peine une vingtaine d’années. Le SO2 n’est plus vraiment un problème. Quelques chiffres pour l’europe:

Dan1
Invité
A 6ctsimple Excusé pour le coup des vacances lointaines, mais c’est de plus en plus dur de déconnecter avec les centaines de milliers de km de fibre optique qui parcourent le fond des océans et apportent le WEB (j’aime bien ce terme “désuet”). Pour le soufre, il est évident que cela peut aller très vite : Et en plus c’est associé à du dépoussiérrage et dénitrification. Bon ça filtre pas tout, mais c’est déjà ça. Mais de toute façon, et comme je l’ai maintes fois écrit, il vaut mieux renvoyer la pollution au niveau central et gérable plutôt que de… Lire plus »
6ctsimple
Invité

Nota, j’ai volontairement simplifié le problème en parlant de SO2 et non de SO2eq, le potentiel d’acidification n’est pas uniquement dû au SO2. N’empêche que les “pluies acides”, au moins en Europe, c’est plutôt derrière nous que devant nous et toutes les prévisions montrent que sur la base des réglementations actuelles et de l’obsolescence technico-économique de certaines grandes centrales charbon ( environ 6000MW qui s’arrêtent ce printemps au RU par exemple) ça devrait encore aller en s’amenuisant.

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