Du soleil à l’hydrogène, à bas prix et sans métaux rares

Science publie aujourd’hui les dernières avancées du laboratoire de Michael Grätzel, à l’EPFL, dans le domaine de la production d’hydrogène à partir d’eau et du rayonnement solaire.

En combinant une paire de cellules solaires à perovskite et des électrodes à bas prix et sans métaux rares, les scientifiques ont obtenu un taux de conversion du soleil vers l’hydrogène de 12,3%, un record avec des matériaux si abondants.

La course au rendement de l’énergie solaire se joue sur plusieurs fronts. Panneaux photovoltaïques au silicium de plus en plus performants, cellules à colorant, cellules à concentration et centrales solaires thermodynamiques visent tous un même objectif : produire un maximum d’électrons à partir des rayons du soleil.

Au Laboratoire de photonique et interfaces de l’EPFL, dirigé par Michael Grätzel, on ne s’est pas contenté d’inventer les cellules solaires à colorant, qui imitent la photosynthèse des plantes. Depuis plusieurs années, on s’intéresse également à la mise au point de processus visant à l’extraction d’hydrogène par électrolyse de l’eau. Soit en utilisant des cellules photo- électrochimiques, qui séparent directement l’eau en hydrogène et oxygène sous l’effet de la lumière, soit en combinant des cellules, qui produisent de l’électricité, à un electrolyseur qui sépare les molécules d’eau.

C’est en recourant à un montage de ce type que Jingshan Luo, post-doctorant au laboratoire du professeur Grätzel, a pu obtenir un rendement si spectaculaire qu’il lui vaut une publication, aujourd’hui, dans la prestigieuse revue Science. Son dispositif convertit en énergie électrique 12,3% de celle que le soleil diffuse sur ses capteurs à perovskite – un cristal que l’on peut obtenir en laboratoire à partir de matériaux courants, du genre de ceux utilisés dans les batteries d’automobile.

Du soleil à l'hydrogène, à bas prix et sans métaux rares

Du soleil en bouteilles

Une telle valeur fait de ce dispositif un véritable concurrent aux autres techniques utilisées pour transformer l’énergie du soleil. Il comporte de nombreux avantages.

D’une part, ni le capteur, ni les électrodes ne nécessitent le recours à des matériaux rares ou chers. «Tant la persovskite des cellules que la combinaison de nickel et de fer qui compose les électrodes utilisent des ressources abondantes sur Terre et bon marché, reprend Jingshan Luo. Or nos électrodes fonctionnent tout aussi bien que les modèles à base de platine – très chers – qui sont utilisées habituellement

D’autre part, la transformation de l’énergie solaire en hydrogène rend possible son stockage – ce qui répond à l’un des plus grands inconvénients que rencontre l’électricité d’origine renouvelable : cette exigence de devoir l’utiliser au moment même où elle est produite. «Une fois que vous avez de l’hydrogène, vous le stockez dans une bouteille et pouvez en faire ce que vous voulez, quand vous le voulez», souligne Michael Grätzel. Le gaz peut en effet être brûlé – dans une chaudière ou dans un moteur – en ne rejetant que de la vapeur d’eau. Il peut aussi passer dans une pile à combustible pour produire de l’électricité à la demande. C’est dans ce cas de figure que les travaux de l’EPFL permettent désormais d’atteindre un rendement de 12,3%, «qui ne va pas tarder à s’améliorer encore», promet le professeur.

Des cellules plus puissantes

Ces valeurs reposent sur une caractéristique propre aux cellules à perovskite : leur capacité à générer une tension électrique supérieure à 1 V, alors que les cellules au silicium s’arrêtent à 0,7 V. «Il faut une tension de 1,7 V ou plus pour que l’électrolyse de l’eau se produise et que les gaz soient exploitables, explique Jingshan Luo. Cela nécessite donc la mise en série de trois cellules au silicium ou plus, alors que deux cellules à perovskite suffisent. D’où une efficacité augmentée, relativement à la surface de capteurs requise. De fait, c’est la première fois que nous parvenons à produire une électrolyse avec deux cellules seulement!»

Les bulles qui s’échappent des électrodes sitôt que les cellules sont exposées à la lumière le disent mieux que des mots : l’association du soleil et de l’eau ouvre une voie royale pour développer l’énergie du futur.

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Pastilleverte

C’est tout le “mal” qu’on leur (qu’on nous) souhaite !

bebel79

Merci pour cet article qui montre encore une fois que l’hydrogène issue des énergie renouvelable est une voie très prometteuse… Vivement l’industrialisation pour enfin etre autonome dans le transport avec le developpement en paralelle des véhicules à hydrogène. Allez on y est presque… 🙂

Stephsea

Décidément, l’EPFL est le seul et unique lieu où se font toutes les recherches et trouvailles sur l’énergie de demain… Y a t’il un jour sans un bond de géant fait par l’EPFL ? Ou alors ont ils un service de com’ très actif et performant? Ou les deux? J’espère que c’est bien les deux, ou au moins une partie de vraie dans le succès de leurs recherches…

Verdarie

Les commentaires qui explique cette image nous en apprennent plus que tous les discours qu’on pourrait avoir en pour ou contre la technologie de l’hydrogène lorsqu’elle pourra être proposée au monde?

Merome

“D’autre part, la transformation de l’énergie solaire en hydrogène rend possible son stockage” Ouais, sauf que le stockage de l’hydrogène, c’est une des parties les plus épineuses… ça fuit…

Lionel-fr

L’hydrogène ne fuit pas. C’est juste que vous ne pouvez pas le stocker dans les bouteilles de gaz en acier. Les bonbonnes d’hydrogène composites utilisent des polymères et fibres de carbone pour atteindre des pressions très élevées La raison de la rupture est qu’on ne peut pas faire de récup’ avec l’hydrogène. Il faut du matériel conçu pour l’hydrogène. C’est un problème pour quelques uns, c’est un avantage pour les industriels qui vont vendre beaucoup de matériel et les budgets R&D sont à la hauteur. Ce qui m’inquiète dans la production directe d’hydrogène solaire , ce sont les aspects pratiques : les électrodes vont se retrouver réparties sur de grandes surfaces , généralement difficiles d’accès et le produit du fractionnement sera du gaz de brown soit un mélange d’HH et OO qu’il faudra séparer ensuite avant mise sous pression. Ca veut dire que la maintenance sera infernale, qu’il faut de grandes quantités d’eau extrèmement pure en solution avec l’electrolyte parfaitement dosée, faute de quoi il faudra remplacer les cellules encrassées. Bref il semble bien plus judicieux d’utiliser les perovskytes comme des panneaux solaires classiques et limiter l’electrolyse en des lieux facilement accessibles pour maintenance, séparer les gaz par convection comme on a appris à l’école et surtout fractionner l’eau en milieu confiné pour profiter de la pression induite qui représente une bonne partie de l’énergie de l’electrolyse. Je ne dis pas que ces problèmes sont insolubles mais que le déploiment en volume de ce genre de solution est bien moins probable que les vieilles solutions électrogènes avec un bon electrolyseur sous pression ou à PEM. C’est bien beau de produire de l’HH en laboratoire mais dans le monde réel , il faut en produire des quantités astronomiques (littéralement) Comme le besoin de grandes quantités d’hydrogène se fait de plus en plus imminent : il y a de grosses avancées dans les SOFC fixes aux USA, je crois qu’on va rapidement standardiser des cellules de fractionnement de ~ 1MW et abandonner tout le reste car la maintenance n’est pas un détail dans une installation de ce genre , c’est même la question la plus critique.. Donc je reste sceptique quant à cette solution et plus enclin à penser que l’électrolyse à grande échelle et les moyens de stockage de grands volumes sont le marché à trilliards $ de la decennie. Grandes séries et automatisation poussée seront le levier pour que ce marché se développe.

Sicetaitsimple

Ca veut dire que la maintenance sera infernale, qu’il faut de grandes quantités d’eau extrèmement pure en solution avec l’electrolyte parfaitement dosée, faute de quoi il faudra remplacer les cellules encrassées. Parce que dans un electrolyseur on peut mettre de l’eau des chiottes, peut-être? Et qu’il en faut moins?

Lionel-fr

Ce n’est pas le problème 6ct. On met de l’eau déminéralisée avec de la potasse, soude caustique, carbonate de potassium.. (etc..) Cette technologie impose une double “vascularisation” de surfaces qui se comptent en hectares au moins. D’une part , il faut répartir l’electrolyte sur chaque cellule en corrigeant les problèmes de gravité : en réduisant la pression aux points bas et en l’amplifiant aux sommets. Les grandes surfaces ne sont pas planes. Ensuite il faudra bien un asservissement càd un petit controleur qui vérifie que la qté d’electrolyte est correcte dans la cellule puisque vous ne controlez pas la source d’énergie. Les problèmes vont apparaitre lors des canicules avec des assèchements de cellules et cristallisation de l’electrolyte sur les electrodes nanostructurées ! Vous serez donc tenté de programmer votre controleur pour les “procédures d’urgence” mais à part vidanger l’electrolyte dans l’environnement , je ne vois pas trop.. Enfin, il va bien falloir évacuer le gaz de Brown vers un collecteur, c’est le deuxieme réseau “vasculaire” de l’installation. C’est le collecteur qui devra séparer les gaz et les mettre sous pression de transport vers le stockage. Tout cela est incroyablement complexe, cher et peu fiable par nature. Dans une electrolyse “classique”, vous controllez la source d’énergie, l’apport d’electrolyte sous pression et la séparation des gaz se fait toute seule ! Les “procédures d’urgence” sont simples et fiables. Et c’est exactement la même chose pour les panneaux solaires dont la maintenance est quasi-nulle..

Sicetaitsimple

Je n’ai pas franchement d’avis sur vos arguments, simplement un electrolyseur réclame également de l’eau déminéralisée, c’est juste ce que je voulais souligner. Ce n’est pas fondamental je vous l’accorde, mais votre post pouvait laisser penser qu’il y avait une différence de ce point de vue.

Langbang

il semble que l’EPFL développe aussi le stockage de l’hydrogene sous forme d’acide formique. En effet l’usage de l’hydrogene ou d’autres carburant sous forme de gaz en bouteille n’est ni commode par leur volume ni sécurisant par leur inflammabilité. L’acide formique n’a pas ces inconvénients car ne redonne que du gaz carbonique et de l’hydrogène à la demande, ce qui en fait un produit de stockage effectivement très séduisant.

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