Le marché de l’hydrogène vert décolle comme une fusée, principalement grâce à la disponibilité d’énergie éolienne et solaire à faible coût pour l’électrolyse de l’eau. Mais les chercheurs ne se reposent pas sur leurs lauriers. La course est lancée pour imiter le système de production d’hydrogène à haut rendement de la nature, c’est-à-dire la photosynthèse. Le chemin a été long, mais le rêve d’une « feuille artificielle » commence enfin à prendre forme.
De nombreuses routes vers l’hydrogène vert
Pour être clair, les ressources énergétiques fossiles dominent toujours le marché mondial de l’hydrogène. Pas pour longtemps. Les sources alternatives font leur apparition sur le marché, l’eau ordinaire étant en tête.
Jusqu’à présent, la majeure partie de l’activité H2 durable s’est concentrée sur l’électrolyse, dans laquelle l’énergie renouvelable génère un courant électrique qui secoue l’hydrogène gazeux de l’eau.
C’est un pas de géant dans l’échelle de la durabilité. Cependant, l’électrolyse nécessite la conversion de ressources renouvelables en électricité. Avec de nombreux autres utilisateurs qui se pressent sur le terrain, les acteurs de l’hydrogène devront se frayer un chemin dans la concurrence pour l’énergie éolienne et solaire.
Une façon de faire plus de marge de manœuvre est d’améliorer l’efficacité des systèmes d’électrolyse. Cependant, la pression pour déployer les ressources éoliennes et solaires à d’autres fins persistera à mesure que la crise climatique s’aggravera.
Une autre façon de soulager la pression est de développer des voies alternatives pour l’hydrogène durable, comme le gaz issu de la matière organique ou des déchets industriels.
Un système de photosynthèse créé par l’homme ajouterait un nouvel outil puissant à la boîte à outils alternative de l’hydrogène vert, en partie parce qu’il pourrait fournir une solution de contournement aux problèmes de sélection de site qui peuvent entraver le développement solaire.
De l’autre côté de l’étang, par exemple, une équipe de recherche de l’Université de Cambridge s’apprête à commercialiser une feuille artificielle durable et peu coûteuse. Leur appareil peut flotter sur les canaux et autres plans d’eau, comme alternative aux panneaux solaires pour économiser les terres.
Qu’est-ce que la feuille artificielle ?
L’idée d’une feuille artificielle a d’abord frappé le Clean Technica radar en 2011, lorsque nous avons noté les travaux du professeur de Harvard Daniel Nocera sur un système H2 durable à faible coût, alimenté par l’énergie solaire, qui pourrait être réduit pour un usage domestique dans des communautés hors réseau.
L’électrolyse de l’eau a attiré pratiquement tous les projecteurs des médias depuis lors, mais la recherche sur les feuilles artificielles s’est poursuivie à un rythme soutenu.
L’idée de base derrière la feuille artificielle semble assez simple. Il vous suffit de fabriquer une cellule solaire spécialisée appelée cellule photoélectrochimique, de la tremper dans une solution à base d’eau et de l’exposer à la lumière, recréant ainsi les réactions chimiques de la photosynthèse naturelle.
Selon qui parle, la classe des cellules photoélectrochimiques comprend deux sous-ensembles, dont un seul est utilisé dans la production directe d’énergie solaire à hydrogène. Cependant, nous suivrons l’exemple du département américain de l’énergie, garderons les choses simples et nous en tiendrons au terme général photoélectrochimique. Si vous avez un problème avec cela, relevez-le dans le fil de commentaires.
Pourquoi la feuille artificielle?
Quoi qu’il en soit, il est juste de se demander pourquoi s’embêter à produire de l’hydrogène vert avec des systèmes photoélectrochimiques, si nous avons déjà l’électrolyse de l’eau.
Les chercheurs en feuilles artificielles soulignent que l’efficacité d’un système d’électrolyse n’est qu’une pièce du puzzle de l’hydrogène vert. L’autre est l’efficacité des entrées d’énergie. Par rapport à l’électricité provenant de cellules solaires, l’approche des feuilles artificielles est beaucoup plus efficace.
Yulia Pushkar, chercheuse à l’Université Purdue, l’a résumé dans un communiqué de presse l’année dernière, lorsqu’elle a déclaré qu ‘«il n’y a pas de limitations physiques fondamentales» avec la photosynthèse artificielle.
« Vous pouvez très facilement imaginer un système efficace à 60 % car nous avons déjà un précédent en matière de photosynthèse naturelle. Et si nous devenons très ambitieux, nous pourrions même envisager un système jusqu’à 80 % d’efficacité », a ajouté Pushkar.
En revanche, l’efficacité de conversion solaire moyenne des cellules solaires est toujours de l’ordre de 20 %. Les versions spécialisées peuvent aller beaucoup plus haut, mais elles sont aussi beaucoup plus chères que celles d’usage général.
Feuille artificielle de globes oculaires NREL pour l’hydrogène vert
La production d’hydrogène photoélectrochimique n’est toujours pas prête pour le marché. Les chercheurs savent comment dupliquer les réactions de la photosynthèse, mais la durabilité a été un obstacle. Ils n’ont pas encore compris comment Mère Nature garde toutes ses couilles en l’air pendant une période prolongée.
Le principal problème est que les semi-conducteurs utilisés dans les cellules photoélectrochimiques sont corrodés par la solution à base d’eau. Le ministère de l’Énergie, pour sa part, prévoit que le problème de durabilité est résoluble.
“PEC [photoelectrochemical] la séparation de l’eau est une voie prometteuse du solaire à l’hydrogène, offrant le potentiel d’une efficacité de conversion élevée à basses températures de fonctionnement en utilisant des matériaux semi-conducteurs à couche mince et / ou à particules rentables », explique l’agence sur son site Web, tout en notant que« la poursuite des améliorations en termes d’efficacité, de durabilité et de coût sont encore nécessaires pour la viabilité du marché. »
Pour faire avancer les choses, le Département de l’énergie a élaboré un ensemble de bonnes pratiques, développé par le National Renewable Energy Laboratory et le Lawrence Berkeley National Laboratory. Les lignes directrices ont été récemment publiées dans la revue Frontières de la recherche énergétique sous le titre, « Meilleures pratiques en matière de PEC : comment mesurer de manière fiable l’efficacité solaire-hydrogène des photocathodes.”
« L’article précise la voie à suivre pour que tous les laboratoires puissent suivre une uniformité de pratiques expérimentales, en commençant par les matériaux nécessaires à la fabrication des photoélectrodes », a expliqué le NREL dans un communiqué de presse la semaine dernière.
L’hydrogène vert n’attend pas votre feuille artificielle
Si vous vous demandez pourquoi l’électrolyse de l’eau a décollé si rapidement alors que la technologie directe du solaire à l’hydrogène attend toujours sa fermeture, c’est une bonne question.
Une partie de la réponse réside probablement dans les archives historiques. L’électrolyse de l’eau est une technologie séculaire dont les racines remontent à 1789. L’électrolyse de l’eau a eu de nombreuses possibilités d’ajustement dans d’autres applications, notamment la production d’oxygène sur la Station spatiale internationale. Cela n’avait tout simplement jamais eu beaucoup de sens en tant que voie de production d’hydrogène jusqu’à ce que les cellules solaires et les éoliennes commencent à alimenter l’économie mondiale.
En revanche, NREL souligne que la feuille artificielle est un développement relativement nouveau. Selon le laboratoire, une description de la séparation photoélectrochimique de l’eau n’est apparue dans une publication scientifique qu’en 1972.
NREL se cite comme un bon exemple de la nécessité d’établir des normes et des meilleures pratiques dans un nouveau domaine de recherche. En 1998, le NREL a signalé qu’il avait établi un record d’efficacité solaire à hydrogène de 12,4%, ce qui en faisait la première institution de recherche à franchir la barrière des 10%. Cependant, en 2016, le laboratoire a dû corriger ce chiffre à la baisse après avoir déterminé que l’expérience avait été sur-éclairée.
Avec des outils plus sophistiqués en main, une équipe de recherche du NREL a établi un nouveau record d’efficacité de 16,2 % dans la conversion solaire en hydrogène en 2017. Cela pourrait être proche de faire l’affaire. Le département de l’énergie vise une efficacité de 25 %, mais une analyse du NREL suggère que les systèmes solaires à hydrogène pourraient être économiquement compétitifs sans atteindre cet objectif.
Pendant ce temps, l’électrolyse de l’eau décolle vraiment comme une fusée. En plus d’exclure l’hydrogène d’origine fossile de l’industrie de la production de carburant, les acteurs de l’hydrogène vert menacent déjà de retirer les longs doigts de l’énergie fossile du marché des engrais et d’autres secteurs clés de l’économie mondiale.
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Crédit photo (capture d’écran) : Hydrogène vert produit à partir d’un système photoélectrochimique avec l’aimable autorisation de NREL.
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