Le CSIRO a fait la démonstration d’un nouveau réacteur solaire « beam-down » qui produit de l’hydrogène vert.
Alors que les panneaux solaires sont monnaie courante sur les toits australiens, environ 75 % de notre consommation nationale d’énergie provient encore de sources combustibles, en particulier dans l’industrie lourde et les transports. Ces secteurs sont difficiles à électrifier, mais les chercheurs du CSIRO travaillent sur une nouvelle façon de les alimenter en utilisant la lumière du soleil.
Michael Rae, informaticien et chercheur en énergie solaire thermique au CSIRO, a déclaré que l’hydrogène vert pourrait jouer un rôle clé dans la transition de l’Australie vers la neutralité carbone.
« Aujourd’hui, la plupart de l’hydrogène est produit à partir de méthane, un processus qui libère des émissions, connu sous le nom d’hydrogène gris », a indiqué Michael Rae. « Pour produire de l’hydrogène vert, nous avons besoin de méthodes permettant de le produire en grandes quantités, de manière fiable et rentable, sans recourir aux combustibles fossiles. »
La méthode la plus courante pour produire de l’hydrogène vert est l’électrolyse, qui utilise l’électricité pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène. Mais elle est actuellement très gourmande en énergie et coûteuse. C’est pourquoi les chercheurs du CSIRO explorent des alternatives plus simples et moins énergivores qui peuvent fonctionner à l’échelle industrielle.
Une avancée solaire à Newcastle
Grâce au financement de l’Agence australienne pour les énergies renouvelables (ARENA), le CSIRO a mis au point une nouvelle méthode de production d’hydrogène vert à partir d’énergie solaire concentrée et de particules métalliques.
Développé au Centre énergétique du CSIRO à Newcastle, ce système est appelé « réacteur solaire à faisceau descendant ». Contrairement aux systèmes solaires thermiques traditionnels qui concentrent la lumière du soleil au sommet d’une tour, cette conception la dirige vers le bas, sur une plate-forme.
C’est un peu comme utiliser une loupe pour concentrer la lumière du soleil, mais à une échelle beaucoup plus grande.
Voici comment cela fonctionne :
- Un champ de miroirs ou d’héliostats qui suivent la course du soleil réfléchit la lumière du soleil vers le sommet d’une tour centrale.
- La tour redirige la lumière du soleil vers le bas, dans un réacteur solaire situé sur la plate-forme.
- À l’intérieur du réacteur, la chaleur concentrée déclenche une réaction chimique qui sépare l’eau en hydrogène et en oxygène.
C’est la première fois que la technologie beam-down est démontrée avec succès en Australie.
Comment les particules d’oxyde métallique libèrent l’hydrogène vert
La clé de ce processus réside dans le réacteur solaire, un oxyde métallique appelé cérium dopé, une forme modifiée du cérium conçue pour améliorer sa capacité à absorber et à libérer de l’oxygène à une température beaucoup plus basse. C’est cet échange d’oxygène qui entraîne la production d’hydrogène dans le réacteur solaire :
Lorsqu’elle est chauffée par l’énergie solaire, la cérium dopé libère des atomes d’oxygène.
Lorsqu’elle est exposée à la vapeur, elle absorbe l’oxygène de l’eau, laissant de l’hydrogène gazeux qui peut être capturé, stocké et utilisé comme combustible ou pour des processus industriels.
La cérium dopé est alors prête à être réutilisée à l’infini.
Les particules de cérium dopé ont été mises au point par des chercheurs de l’université de Niigata au Japon. C’était la première fois qu’elles étaient utilisées dans un test à l’échelle de démonstration.
Le professeur Tatsuya Kodama de l’université de Niigata a déclaré que ces particules avaient d’excellentes performances en tant que catalyseur.
« Nous pouvons produire plus de trois fois plus d’hydrogène que ce qui est généralement obtenu avec des matériaux standard dans une réaction similaire », a ajouté Tatsuya Kodama. « Cela est très prometteur pour améliorer l’efficacité des conceptions futures. Nous avons également acquis des connaissances précieuses sur la manière dont nous pouvons développer davantage les particules afin d’améliorer l’ensemble du processus. »
Pourquoi le beam-down change la donne
Les récepteurs solaires thermiques traditionnels sont orientés vers le bas, ce qui limite leur utilisation en tant que réacteurs. Dans la conception beam-down, le récepteur est orienté vers le haut, ce qui offre plus de flexibilité pour la recherche et les essais, en particulier pour les processus solides ou chimiques.
Le Dr Noel Duffy, responsable des technologies solaires au CSIRO, a déclaré que ce système ouvrait de nouvelles possibilités pour la recherche et le développement dans le domaine de l’énergie solaire concentrée.
« Il s’agit d’un bond en avant significatif pour les capacités de recherche solaire thermique de l’Australie », a précisé Noel Duffy. « Nous pouvons désormais tester plus facilement les réactions à haute température, non seulement pour l’hydrogène, mais aussi pour d’autres applications telles que le raffinage des métaux. »
La prochaine étape de l’Australie dans l’innovation en matière de carburants propres
Le projet a démontré la faisabilité du cycle thermochimique complet de production d’hydrogène, de l’apport solaire à la production d’hydrogène, qui pourrait atteindre un rendement solaire-hydrogène supérieur à 20 %. Ce rendement est supérieur à celui de nombreux systèmes existants, qui fonctionnent généralement à environ 15 %.
Le Dr Jin-Soo Kim, chercheur principal au CSIRO, qui a dirigé le projet, a déclaré que la nouvelle conception allie performance et simplicité.
« Ce processus utilise un cycle de dissociation de l’eau en deux étapes à l’aide d’un nouveau matériau qui fonctionne à des températures relativement basses pour les processus thermochimiques solaires », a commenté Jin-Soo.
« Nous n’en sommes pas encore à l’échelle industrielle, mais nous avons démontré une forte réactivité dans des conditions relativement modérées, et avec des améliorations supplémentaires, ce procédé pourrait rivaliser avec l’électrolyse en termes de performances et de coût. »
Alimenter demain, dès aujourd’hui
Avec la demande mondiale croissante en hydrogène vert, le réacteur à faisceau descendant du CSIRO pourrait aider l’Australie à devenir un acteur clé dans l’approvisionnement mondial en carburant à faibles émissions.
L’hydrogène vert a le potentiel de décarboner certains des secteurs les plus difficiles, notamment la sidérurgie, le transport maritime et la production de fer, et de transformer l’abondant ensoleillement de l’Australie en une force puissante pour réduire les émissions mondiales.
Source : CSIRO
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