Ce générateur d’hydrogène solaire fonctionne comme un système de photosynthèse artificielle. Il ressemble à une antenne satellite, qui est actuellement installée sur le campus de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse.
Ce réacteur solaire produit de la chaleur et de l’oxygène tout en générant de l’hydrogène avec une efficacité sans précédent pour ses dimensions.
Dans Nature Energy, ces chercheurs avaient publié, en 2019, une étude sur un dispositif de production d’hydrogène à l’échelle du laboratoire. Ils avaient employé un simulateur solaire à haut flux du Laboratoire de science et d’ingénierie des énergies renouvelables (LRESE) de l’EPFL. En 2023, la même équipe a dévoilé les résultats de leurs études concernant ce système à grande échelle. Selon ces experts, cette nouvelle technologie de production d’hydrogène vert se montre prometteuse en termes d’efficacité. Elle pourrait être indispensable dans de nombreux domaines d’activité (industriels, commerciaux, résidentiels, médicaux…). Nous vous proposons d’en apprendre davantage sur cette invention à travers cet article.
Le principe de fonctionnement de ce système solaire à grande échelle
Cet appareil est constitué d’une antenne de 23 pieds ( 7m) de diamètre, capable de concentrer près de 1 000 fois la puissance du rayonnement solaire. Par ailleurs, il fonctionne comme un arbre artificiel. Il permet de produire de l’hydrogène par électrolyse à partir de l’énergie solaire. Plus précisément, l’eau (H2O) est conduite vers un réacteur doté de cellules photoélectrochimiques, alimentées par le rayonnement solaire. À l’intérieur de ce réacteur, les molécules d’eau sont scindées en hydrogène (H) et en oxygène (O). Ce processus de photosynthèse artificielle a la particularité de produire également de la chaleur. Au lieu de la jeter, cette dernière est traitée à l’aide d’un échangeur de chaleur pour la transformer en un sous-produit utile. Et le plus important est que ce système n’émet pas de dioxyde de carbone. Il assure une production de carburant vert.
Les spécificités de cette technologie de production d’hydrogène solaire
D’après Sophia Haussener, directrice du LRESE, ce convertisseur d’énergie solaire en hydrogène de démonstration serait le tout premier dans cette catégorie. À la différence des prototypes à l’échelle du laboratoire, ce système inclut l’ensemble des dispositifs et composants auxiliaires. Cela permet aux chercheurs de mieux estimer l’efficacité énergétique à laquelle ils peuvent s’attendre. En effet, une puissance de sortie supérieure à 2 kW a été observée. Le plafond de 1 kW constaté sur le réacteur pilote à l’échelle du laboratoire est largement dépassé. En plus de cette grande évolution, cette centrale solaire présente une efficacité record, selon les scientifiques. La production d’hydrogène enregistrée dans le cadre de ces travaux de recherche constitue un élément clé pour réussir le lancement de cette technologie sur le marché.
Les applications potentielles
Aujourd’hui, la société SoHHytec, issue du LRESE, a déjà commencé la commercialisation de cette innovation. Elle collabore avec une usine de production de métaux située en Suisse, qui a demandé le déploiement d’un système de démonstration d’une capacité de plusieurs centaines de kilowatts. L’hydrogène généré sera utilisé pour le recuit des métaux. La chaleur servira à produire de l’eau chaude à l’usine. Et l’oxygène sera livré dans les hôpitaux environnants pour des applications médicales.
Tous les produits obtenus ont leur utilité dans différents domaines. D’ailleurs, les chercheurs prévoient d’exploiter la chaleur produite pour fournir de l’eau chaude et du chauffage à des habitations et à des entreprises. Il serait également possible d’alimenter en hydrogène des piles à combustible, qui serviraient à recharger les véhicules électriques. Un jour, ce carburant propre pourrait même alimenter des camions et des avions. L’équipe de recherche de l’EPFL poursuit actuellement ses travaux, en vue de varier les usages de cette centrale solaire à grande échelle. Elle prévoit notamment de décomposer le dioxyde de carbone afin de générer des matériaux utiles.
Plus d’informations : Nature Energy
Les arbres à hydrogène de l’EPFL : Soleil, chaleur et oxygène
Dissimulée dans le paysage urbain du campus de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), une parabole qui pourrait facilement être prise pour une infrastructure de télécommunications renferme une technologie innovante.
Cette parabole est au cœur d’un système solaire pilote capable de concentrer le rayonnement solaire près de 1000 fois, et d’exploiter cette énergie pour produire de l’oxygène, de la chaleur et de l’hydrogène à une efficacité jamais atteinte pour une installation de cette taille.
Sophia Haussener, à la tête du Laboratoire de la science et de l’ingénierie des énergies renouvelables (LRESE) de l’EPFL, déclare : «Il s’agit de la première démonstration de production d’hydrogène solaire à l’échelle d’un système. Contrairement aux démonstrations types à l’échelle du laboratoire, elle inclut tous les dispositifs et composants auxiliaires, ce qui nous donne une meilleure idée de l’efficacité énergétique à laquelle on peut s’attendre lorsque l’on considère le système dans son ensemble»
«Avec une puissance de sortie de plus de 2 kilowatts, nous avons dépassé le plafond de 1 kilowatt pour notre réacteur pilote tout en maintenant une efficacité record pour cette grande échelle. Le taux de production d’hydrogène atteint au cours de ces travaux représente une étape vraiment encourageante vers la concrétisation commerciale de cette technologie.»
Cette innovation n’est pas née de rien. Elle s’appuie sur des recherches préliminaires menées au LRESE, qui ont mis en évidence l’efficacité du concept à l’échelle du laboratoire. Les résultats de cette recherche, publiés dans la revue Nature Energy en 2019, ont servi de fondement pour le développement du système actuel, qui a prouvé son efficacité et sa polyvalence dans des conditions réelles.
La clé du système réside dans son réacteur photoélectrochimique, situé au point focal de la parabole. L’eau y est pompée, puis électrolysée par des cellules photoélectrochimiques qui utilisent l’énergie solaire pour séparer les molécules d’eau en hydrogène et en oxygène. De la chaleur est également produite, mais contrairement à d’autres systèmes où elle serait considérée comme une perte, ici elle est récupérée et peut être réutilisée, par exemple pour le chauffage ambiant.
Et ce n’est pas tout : l’oxygène produit par la réaction d’électrolyse est également récupéré et peut être réutilisé. «L’oxygène est souvent perçu comme un déchet. Mais dans ce cas, il peut également être exploité, par exemple pour des applications médicales», souligne Sophia Haussener.
Le système a déjà attiré l’attention de l’industrie. La start-up SoHHytec SA, une spin-off du LRESE, est en train de déployer et de commercialiser cette technologie. Elle travaille notamment avec une usine de production de métaux suisse pour construire une installation de démonstration à l’échelle de plusieurs centaines de kilowatts. Cette installation produira de l’hydrogène pour les processus de recuit des métaux, de l’oxygène pour les hôpitaux environnants et de la chaleur pour les besoins en eau chaude de l’usine.
Le système pourrait également servir à des fins résidentielles, fournissant du chauffage central et de l’eau chaude aux particuliers, tout en produisant de l’hydrogène pour alimenter des piles à combustible.
Saurabh Tembhurne, co-fondateur et directeur général de SoHHytec, souligne l’importance de la démonstration pilote de l’EPFL. « Avec la démonstration pilote à l’EPFL, nous avons franchi une étape importante en démontrant une efficacité sans précédent à des densités de puissance de sortie élevées. Nous sommes en train de développer un système dans un jardin artificiel, où chacun des “arbres artificiels” est déployé de manière modulaire. »
Selon les estimations, le système installé sur le campus de l’EPFL, qui produit environ un demi-kilogramme d’hydrogène solaire par jour, pourrait alimenter jusqu’à 1,5 véhicule à pile à hydrogène parcourant une distance annuelle moyenne. De plus, il pourrait couvrir plus de la moitié des besoins annuels en chauffage et répondre à la moitié de la demande en électricité d’un foyer suisse moyen de 4 personnes.
Si le système de photosynthèse artificielle de l’EPFL est sur le point d’être déployé à grande échelle, Sophia Haussener et son équipe ne s’arrêtent pas là. Ils travaillent déjà sur un autre projet ambitieux : un système solaire à grande échelle capable de séparer le dioxyde de carbone en éléments utiles comme le gaz de synthèse pour le carburant liquide ou l’éthylène, précurseur du plastique vert.
Source : https://www.enerzine.com/les-arbres-a-hydrogene-de-lepfl-soleil-chaleur-et-oxygene/55872-2023-05