Avigail Landman, doctorante (à droite) et Rawan Halabi, étudiant en maîtrise
Les chercheurs de Technion en Israël ont développé le premier système au monde utilisant l’énergie solaire pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène sur deux sites distincts
Les chercheurs du Technion – Institut israélien de technologie ont mis au point un prototype de système pour la production efficace et sûre d’hydrogène en utilisant uniquement l’énergie solaire. Publiée dans la revue Joule par le groupe Cell, l’étude a été menée par le doctorant Avigail Landman du programme énergétique du Grand Technion, avec l’étudiant en maîtrise Rawan Halabi de la Faculté des sciences et du génie des matériaux.
L’étude a été menée sous la direction conjointe du professeur Gideon Grader de la Faculté de génie chimique et du professeur Avner Rothschild de la Faculté de science et de génie des matériaux, en collaboration avec le professeur Adélio Mendes et le Dr Paula Dias de l’Université de Porto au Portugal.
Le système innovant contient un dispositif solaire à cellules en tandem, qui permet une utilisation plus efficace du spectre lumineux. Une partie du rayonnement solaire est absorbée dans la couche supérieure, qui est faite d’oxyde de fer semi-transparent. Le rayonnement qui n’est pas absorbé dans cette couche la traverse et est ensuite absorbé par une cellule photovoltaïque. Ensemble, les deux couches du système fournissent l’énergie nécessaire pour décomposer l’eau.
De la théorie à l’application
Ce système innovant s’inscrit dans la continuité de la percée théorique de l’équipe de recherche du Technion, présentée dans un article de mars 2017 dans Nature Materials. Dans cet article, les chercheurs ont introduit un changement paradigmatique dans la production d’hydrogène : Au lieu d’une cellule de production où l’eau est décomposée en hydrogène et en oxygène, les chercheurs ont développé un système où l’hydrogène et l’oxygène sont formés dans deux cellules complètement différentes.
Ce développement est important en partie parce que le mélange de l’oxygène et de l’hydrogène crée une interaction explosive et dangereuse. Les chercheurs ont présenté la preuve de faisabilité dans un système de laboratoire fonctionnant avec une source d’énergie conventionnelle.
Maintenant, dans l’étude actuelle de Joule, les chercheurs présentent la réalisation de la théorie en développement appliqué – un prototype de système photoélectrochimique qui produit de l’hydrogène et de l’oxygène dans deux cellules séparées en utilisant seulement la lumière du soleil. Dans le cadre de l’expérience, environ 80 heures de travail (10 jours d’environ 8 heures) ont été effectuées, démontrant l’efficacité du système dans la lumière naturelle du soleil. L’expérience a été menée à la Faculté de génie chimique du Technion.
Contexte
L’hydrogène est un matériau très recherché dans de nombreux domaines de notre vie. La plus grande partie de l’hydrogène produit aujourd’hui est utilisée pour fabriquer de l’ammoniac pour la production d’engrais qui sont essentiels à l’agriculture moderne. De plus, l’hydrogène est l’une des principales sources de carburant de remplacement, surtout dans le contexte de la propulsion automobile. Dans le contexte des transports, l’hydrogène présente plusieurs avantages par rapport aux carburants à base de minéraux :
- il peut être produit à partir de l’eau en
utilisant une énergie verte comme l’énergie solaire, ce qui réduit la
dépendance à l’égard des combustibles minéraux et la dépendance à l’égard des
pays riches en réserves de pétrole ;
- la production d’hydrogène à partir de l’eau
permet le stockage d’énergies renouvelables telles que le solaire et l’éolien,
qui ne sont pas disponibles à toute heure du jour ;
- contrairement aux moteurs diesel et à essence qui émettent de grandes quantités de pollution atmosphérique, le seul sous-produit des moteurs à hydrogène est l’eau.
Aujourd’hui, la plus grande partie de l’hydrogène dans le monde est produite à partir du gaz naturel. Mais avec ce processus vient l’émission de dioxyde de carbone (CO2), dont les dommages environnementaux sont bien connus. Une méthode de production alternative est l’électrolyse – décomposition de l’eau (H2O) pour l’hydrogène (H2) et l’oxygène (O2).
Bien que le procédé d’électrolyse ait été découvert il y a plus de deux cents ans, peu de technologies d’électrolyse ont été développées. Ces dernières années, avec la transition vitale vers les énergies alternatives, il est devenu évident que le processus d’électrolyse doit être affiné pour s’adapter à ces sources d’énergie.
C’est dans ce contexte que s’est développé le procédé photoélectrochimique qui décompose l’eau directement à l’aide du rayonnement solaire. Mais là aussi, les défis technologiques sont nombreux. Par exemple, la production d’hydrogène par la méthode conventionnelle de l’électrolyse – la décomposition de l’eau en hydrogène et en oxygène dans la même cellule de production – comporte des risques car la rencontre entre l’hydrogène et l’oxygène entraîne une explosion. De plus, dans les grands champs solaires, il est très difficile de produire de l’hydrogène dans cette configuration. D’où l’importance de la percée actuelle présentée dans Joule.
Les chercheurs espèrent que les universitaires et l’industrie continueront et feront progresser le système pour en faire un produit commercial.
https://www.technion.ac.il/en/2020/01/water-sun-hydrogen/
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30591-4
