01. Mai 2019

La méthode de Sophia Haussener, Saurabh Tembhurne et Fredy Nandjou consiste à envoyer le rayonnement solaire concentré dans un dispositif photo-électrochimique optimisé. ©Photo : Marc Delachaux / 2019 EPFL

EPFL : Production record d'hydrogène en concentrant la lumière du soleil

(CP) Des chercheurs de l’EPFL ont mis au point un système pour produire de larges quantités d’hydrogène propre, en concentrant la lumière du soleil. Leur technologie permet de réduire la quantité de matériaux rares et coûteux nécessaires à la production de l’hydrogène, tout en gardant de très hauts taux de conversion. Le dispositif est maintenant testé à grande échelle sur le campus.


L’hydrogène représente l’une des clés de sortie de notre dépendance aux énergies fossiles. Une façon de le produire consiste à casser des molécules d’eau grâce à l’énergie solaire. L’hydrogène propre peut ensuite être stocké, utilisé pour faire fonctionner des véhicules, ou converti en électricité sur demande.

La production fiable d’hydrogène reste un défi
La production fiable d’hydrogène, en grande quantité et à moindre coût reste cependant un défi, car la collecte et la conversion de l’énergie solaire requièrent des matériaux précieux, onéreux ou rares – pour les cellules solaires et les catalyseurs -. À l’EPFL, des chercheurs du Laboratoire de la science et de l'ingénierie de l'énergie renouvelable LRESE ont eu l’idée de concentrer les rayons du soleil, pour produire davantage d’hydrogène, pour une même surface de matériau donné.

Leur méthode consiste à envoyer le rayonnement solaire concentré dans un dispositif photo-électrochimique optimisé. Grâce à un système d’échange de chaleur, il est possible d’atteindre un taux de conversion de l’énergie solaire en hydrogène supérieur à 17%, avec une densité de puissance et de courant record. Leur système est par ailleurs très stable, et peut gérer la nature intermittente de l’irradiation solaire.

Optimisée à toutes les étapes de la transformation
Les résultats de la recherche sont publiés dans Nature Energy. «Notre dispositif fonctionne grâce à une fine couche d’eau qui s’écoule sur la cellule solaire, pour maintenir une température relativement basse et de bonnes performances», explique Saurabh Tembhurne, l’un des auteurs de l’étude. « Quant à la chaleur évacuée par l’eau, elle est transférée au catalyseur, ce qui améliore la réaction chimique qui s’y déroule », ajoute son collègue Fredy Nandjou. La production d’hydrogène est donc optimisée à toutes les étapes de la transformation.

Les chercheurs ont utilisé le simulateur solaire unique du LRESE pour tester l’efficacité du dispositif. Les résultats en laboratoire ont été si convaincants que les chercheurs vont maintenant tester une version large échelle de leur dispositif à l’extérieur, sur le campus de l’EPFL. Ils ont installé un miroir parabolique de 7 mètres de diamètre, qui concentre la lumière du soleil par un facteur de 1000. Les tests sont sur le point d’être lancés.

Des stations à hydrogène
Selon les prédictions des chercheurs, le dispositif pourrait fonctionner durant plus de 30'000 heures (près de 4 ans) sans remplacement de composant, et jusqu’à 20 ans si des composants électrochimiques sont remplacés tous les 4 ans. Le concentrateur solaire peut quant à lui tourner et suivre le soleil, pour maximiser le rendement. A la tête du LRESE, Sophia Haussener, qui dirige le projet, estime pouvoir produire jusqu’à 1 kilo d’hydrogène par jour, ce qui permet à une voiture à hydrogène de parcourir entre 100 et 150 kilomètres.

« Dans le futur, on pourrait imaginer connecter plusieurs de ces systèmes entre eux», commente Sophia Haussener. « De telles constructions pourraient être exploitées par les compagnies chimiques, ou faire office de stations à hydrogène.» Sophia Haussener et Saurabh Tembhurne prévoient de lancer une spin-off basée sur leur technologie (Sohhytec).

Un outil gratuit
Dans le cadre de ce projet, les chercheurs ont réalisé une analyse techno-économique et mis au point un programme navigateur appelé Spedco (Solar PhotoElectroChemical Device Optimization, http://specdo.epfl.ch ). Ce logiciel permet de jouer avec tous les composants des systèmes photo électrochimiques, pour obtenir les systèmes à meilleurs coûts. En parallèle, les chercheurs mettent à disposition un outil de comparaison dynamique, appelé Specdc (Solar PhotoElectroChemical Device Comparison, http://specdc.epfl.ch.) Il permet la comparaison et l’évaluation de toutes les démonstrations faites sur des dispositifs photo-électrochimiques.

Références
Tembhurne, Nandjou, Haussener, A thermally synergistic photo-electrochemical hydrogen generator operating under concentrated solar irradiation, Nature Energy, DOI: 10.1038/s41560-019-0373-7, 2019

Texte : École polytechnique fédérale de Lausanne EPFL

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