Transformer la lumière solaire, la chaleur et l'eau en hydrogène

L'hydrogène est un combustible et une matière première prometteuse pour l'économie des énergies renouvelables et l'industrie des procédés chimiques. Il est généralement produit par reformage à la vapeur de combustibles fossiles, une approche non durable. L'hydrogène, en tant que combustible et matière première sans carbone, peut être stocké et transporté, et directement utilisé dans des piles à combustible pour des applications de mobilité ou la production d'électricité, ou être transformé en méthane synthétique pour un stockage à long terme, ou en combustibles liquides (par exemple, le méthanol ou l'essence) pour être utilisé dans des moteurs conventionnels. La production moderne d'hydrogène par la lumière du soleil, via une électrolyse à basse température alimentée par le photovoltaïque, nécessite des matériaux rares et onéreux (par exemple, des catalyseurs du groupe du platine pour les électrolyseurs). Il est donc difficile d'approvisionner le marché en hydrogène vert à des prix compétitifs et à grande échelle.

Des chercheurs du Laboratoire de la science et de l'ingénierie des énergies renouvelables (LRESE) et du Groupe des matériaux énergétiques (GEM) de l'EPFL ont présenté une méthode innovante pour surmonter le défi de la compétitivité économique. L'idée est d'utiliser le rayonnement solaire concentré pour alimenter l'électrolyseur à haute température. Il y a deux avantages : (1) l'électrolyse à haute température permet d'utiliser des matériaux abondants sur terre (c'est-à-dire des catalyseurs pour les électrolyseurs), et (2) l'efficacité de la conversion du soleil en carburant est considérablement accrue étant donné que la demande en électricité pour les électrolyseurs est réduite par rapport à l'électrolyse à basse température. Un réacteur de démonstration a été conçu, fabriqué et testé avec succès dans le simulateur solaire à haut flux unique du LRESE. La conception innovante a suivi une approche intégrée, c'est-à-dire que la pile de l'électrolyseur et l'absorbeur solaire étaient à proximité dans l'espace, ce qui réduit considérablement les pertes de chaleur dans le réacteur. La nouvelle approche de conception a montré un potentiel de 20 % d'efficacité solaire-hydrogène.

Ces travaux viennent d'être publiés dans Joule. "Notre approche utilise le rayonnement solaire concentré pour produire à la fois de la chaleur pour chauffer les réactifs et de l'électricité à partir de cellules photovoltaïques pour alimenter l'électrolyseur. Étant donné que la chaleur peut être produite plus efficacement que l'électricité à partir de la lumière solaire, le fonctionnement endothermique de l'électrolyseur est préférable, car une partie de la demande d'électricité est remplacée par la chaleur", explique Clemens Suter, chercheur au LRESE. "Cependant, la gestion thermique de l'absorbeur solaire est cruciale pour un fonctionnement sûr de l'électrolyseur. Nous avons trouvé une conception sophistiquée de l'absorbeur solaire utilisant une forme de cavité-récepteur composée de deux tuyaux entrelacés à double hélice pour le chauffage du réactif. Cette approche a permis de réduire la contrainte thermique dans l'électrolyseur constitué de céramiques ", ajoute Meng Lin, co-auteur de l'étude et désormais professeur adjoint à l'Université des sciences et technologies du Sud (SUSTech) en Chine.

Stratégies de transposition à plus grande échelle :

Les chercheurs prévoient que le système puisse être transposé à l'échelle industrielle. Sophia Haussener, directrice du LRESE et responsable du projet, explique : "Le miroir parabolique de 7 mètres situé sur le campus de l'EPFL à Lausanne est adapté pour tester un tel réacteur dans les conditions réelles d'ensoleillement. Des concentrations solaires d'un facteur d'environ 1'000 sont produites, ce qui correspond parfaitement à l'apport de rayonnement solaire concentré requis par cette conception de réacteur. Un réseau de concentrateurs solaires de ce type pourrait être utilisé pour la mise à l'échelle de cette approche." Une mise à l'échelle permet également d'obtenir des rendements thermiques plus élevés, et donc d'améliorer encore les performances globales. Il est prévu d'étendre cette technologie à la coélectrolyse pour la coproduction d'hydrogène et de CO, appelé gaz de synthèse, qui convient parfaitement comme matière première pour la synthèse de Fischer-Tropsch ou de méthanol pour la production directe de carburants solaires liquides.