La production d’hydrogène vert par énergie solaire s’impose comme une solution prometteuse pour réduire l’empreinte carbone de l’industrie. Des chercheurs allemands ont développé un module innovant capable de générer de l’hydrogène directement à partir de la lumière du soleil, ouvrant la voie à une production décentralisée et durable de ce carburant propre.
L’hydrogène est considéré comme un élément clé de la transition énergétique. Sa combustion ne produit pas de CO2, ce qui en fait un carburant particulièrement intéressant pour décarboner certains secteurs industriels. Cependant, pour être véritablement écologique, l’hydrogène doit être produit sans émissions de gaz à effet de serre.
La méthode classique de production d’hydrogène vert repose sur l’électrolyse de l’eau alimentée par de l’électricité renouvelable. Mais les électrolyseurs sont des équipements complexes, coûteux et actuellement en pénurie face à la demande croissante.
Le module tandem photo-électrochimique
Dans le cadre du projet de recherche Neo-PEC, des scientifiques de trois instituts Fraunhofer ont mis au point une solution modulaire permettant de produire de l’hydrogène directement à partir de l’énergie solaire. Le cœur de cette innovation est un module photo-électrochimique (PEC) tandem.
Contrairement aux panneaux photovoltaïques classiques, ce module ne génère pas d’électricité pour une électrolyse ultérieure. L’ensemble du processus de production d’hydrogène s’effectue au sein d’une seule et même unité.
Le Dr Arno Görne, responsable du groupe Matériaux fonctionnels pour les microsystèmes hybrides à l’Institut Fraunhofer IKTS, précise : «Nous utilisons la phase vapeur pour former des couches de seulement quelques nanomètres d’épaisseur sur le verre. Les structures créées dans le processus ont un impact énorme sur l’activité du réacteur, en plus des propriétés réelles du matériau, que nous avons également optimisées.»
Un fonctionnement ingénieux
Le module tandem est constitué d’un verre recouvert de matériaux semi-conducteurs sur ses deux faces. Lorsque la lumière solaire frappe le verre, un côté du module absorbe la lumière à ondes courtes, tandis que la lumière à ondes longues traverse la couche supérieure pour être absorbée sur la face arrière.
L’hydrogène est libéré du côté cathode (face arrière) et l’oxygène du côté anode (face supérieure). Une séparation stricte entre les deux éléments est maintenue tout au long du processus pour des raisons de sécurité.
Le réacteur développé par les chercheurs Fraunhofer possède une surface active d’un demi-mètre carré. Dans les conditions d’ensoleillement européennes, un seul module peut produire plus de 30 kilogrammes d’hydrogène par an sur 100 mètres carrés. Cette quantité permettrait à une voiture à hydrogène de parcourir entre 15 000 et 20 000 kilomètres.
Le Dr Görne souligne les avantages de leur solution : «En termes de dimensions de la cellule tandem, nous sommes limités par le fait que notre module divise directement l’eau, mais il est également nécessaire que l’électricité passe d’un côté à l’autre pour y parvenir. À mesure que la surface du module augmente, la résistance croissante a un effet défavorable sur le système. Dans l’état actuel des choses, le format existant s’est avéré optimal. Il est stable, robuste et significativement plus grand que toute solution comparable.»
Les perspectives d’avenir
Les partenaires du projet ont déjà réalisé de nombreux tests sur le terrain, démontrant un fonctionnement stable et fluide du module et de ses interconnexions. Le réacteur a été présenté pour la première fois au salon Achema 2024 à Francfort en juin.
Les équipes Fraunhofer ne comptent pas s’arrêter là. Elles prévoient de poursuivre leur collaboration inter-instituts dans le cadre d’un projet de suivi. De plus, elles envisagent de développer davantage leur solution dans diverses directions en collaboration avec le secteur privé, dans le but d’une production et d’un approvisionnement décentralisés, sûrs et efficaces en hydrogène.
Légende illustration : Module individuel d’un réacteur PEC tandem autonome. © Fraunhofer IKTS
Le projet Neo-PEC illustre la synergie entre différents instituts de recherche. L’Institut Fraunhofer IKTS s’est concentré sur les matériaux et le traitement de la couche photoactive. L’Institut Fraunhofer IST a apporté son expertise dans le dépôt de vapeur physique pour le revêtement de grandes surfaces. Enfin, le Centre Fraunhofer CSP s’est chargé de la conception du réacteur, de sa production économique et fiable, ainsi que de l’évaluation des modules.
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