À l’avenir, nous pourrions alimenter le monde avec la lumière du soleil et de l’eau, en utilisant la lumière du soleil pour obtenir de l’hydrogène à partir de l’eau. Actuellement, la majeure partie de l’hydrogène utilisé comme matière première et combustible est dérivée du gaz naturel et ne nous aide donc pas à éliminer les combustibles fossiles. Mais les scientifiques japonais ouvrent la voie à un avenir alimenté par l’hydrogène, grâce à de nouvelles feuilles photocatalytiques faciles à fabriquer et à un réacteur à panneaux de démonstration de faisabilité qui montre qu’il est possible de raffiner l’hydrogène à partir de l’eau à grande échelle.
« Le fractionnement de l’eau par la lumière du soleil à l’aide de photocatalyseurs est une technologie idéale pour la conversion et le stockage de l’énergie solaire en énergie chimique, et les récents développements des matériaux et systèmes photocatalytiques permettent d’espérer sa réalisation », a indiqué le professeur Kazunari Domen de l’université de Shinshu, auteur principal de l’article paru dans Frontiers in Science. « Toutefois, de nombreux défis restent à relever. »
De la vapeur pour le XXIe siècle
Pour utiliser la lumière du soleil afin de séparer l’eau en oxygène et en hydrogène, nous avons besoin de photocatalyseurs. Sous l’effet de la lumière, ces catalyseurs favorisent les réactions chimiques qui scindent l’eau. Dans les systèmes d’excitation en une étape, le photocatalyseur décompose l’eau en hydrogène et en oxygène. Ces systèmes sont simples mais inefficaces, avec un taux de conversion de l’énergie solaire en hydrogène très faible. Les systèmes d’excitation en deux étapes sont actuellement plus efficaces : un photocatalyseur transforme l’hydrogène de l’eau et l’autre transforme l’oxygène de l’eau.
« Il est évident que la technologie de conversion de l’énergie solaire ne peut pas fonctionner la nuit ou par mauvais temps », a déclaré le Dr Takashi Hisatomi de l’université Shinshu, premier auteur de l’étude. « Mais en stockant l’énergie de la lumière solaire sous forme d’énergie chimique des matériaux combustibles, il est possible d’utiliser l’énergie à tout moment et en tout lieu. »
Ces systèmes ont un taux de conversion de l’énergie solaire en hydrogène plus élevé, mais ils ne sont pas encore prêts à être utilisés. Nous devons identifier les photocatalyseurs les plus efficaces et les plus durables, qui doivent être suffisamment robustes pour tolérer les opérations quotidiennes de démarrage et d’arrêt au fur et à mesure que le soleil se lève et se couche. Nous devons également accroître l’efficacité de la conversion autant que possible, afin de minimiser l’espace physique nécessaire au réacteur et de rendre son exploitation rentable – à l’heure actuelle, l’utilisation du gaz naturel pour raffiner l’hydrogène est encore moins chère.
Un autre problème réside dans le fait que de nombreuses méthodes de séparation de l’oxygène et de l’hydrogène produisent de l’oxyhydrogène, qui est hautement explosif. Ce risque peut être éliminé en produisant l’oxygène et l’hydrogène séparément, ou géré en utilisant les critères de conception identifiés par l’équipe de Domen et Hisatomi. En expérimentant avec de l’oxyhydrogène, ils ont déterminé que si le gaz est enflammé dans un compartiment petit et étroit, il n’explose pas. Les matériaux sont également importants : le plastique PVC souple n’explose pas de manière destructrice si l’oxyhydrogène s’enflamme.
L’avenir du carburant
L’équipe de Domen et Hisatomi a déjà produit une preuve de concept réussie, en faisant fonctionner un réacteur de 100 m2 pendant trois ans. Ce réacteur s’est même avéré plus performant face à la lumière du soleil qu’en conditions de laboratoire.
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« Dans notre système, qui utilise un photocatalyseur sensible aux ultraviolets, l’efficacité de la conversion de l’énergie solaire était environ une fois et demie plus élevée sous la lumière naturelle du soleil », a ajouté M. Hisatomi. « La lumière solaire standard simulée utilise un spectre provenant d’une région à latitude légèrement élevée. Dans une région où la lumière naturelle du soleil a plus de composantes de courte longueur d’onde que la lumière de référence simulée, l’efficacité de la conversion de l’énergie solaire pourrait être plus élevée. Cependant, actuellement, le rendement sous la lumière solaire standard simulée est au mieux de 1 %, et il n’atteindra pas 5 % sous la lumière solaire naturelle ».
Pour faire progresser la technologie et franchir cette barrière des 5 %, l’équipe indique que d’autres chercheurs doivent développer des photocatalyseurs plus efficaces et construire des réacteurs expérimentaux plus grands. Davantage d’expériences en conditions réelles sont nécessaires pour développer la technologie jusqu’à ce que l’hydrogène devienne une option de carburant réalisable.
Dans ce contexte, l’équipe insiste sur la nécessité d’instaurer des règles de sécurité et des normes d’efficacité. Un organisme d’accréditation et des licences permettraient de garantir la sécurité du développement de la technologie, tandis que des méthodes normalisées pour déterminer l’efficacité aideraient à identifier les systèmes les plus performants.
« L’aspect le plus important à développer est l’efficacité de la conversion de l’énergie solaire en énergie chimique par les photocatalyseurs », explique M. Domen. « Si elle est améliorée à un niveau pratique, de nombreux chercheurs travailleront sérieusement au développement d’une technologie de production de masse et de processus de séparation des gaz, ainsi qu’à la construction d’usines à grande échelle. Cela changera également la façon dont de nombreuses personnes, y compris les décideurs politiques, envisagent la conversion de l’énergie solaire, et accélérera le développement de l’infrastructure, des lois et des réglementations relatives aux combustibles solaires. »
Article: « Photocatalytic water splitting for large-scale solar-to-chemical energy conversion and storage » – DOI: 10.3389/fsci.2024.1411644
Source : Frontiers in Science – Traduction Enerzine.com
