Séparation solaire de l’eau pour fabriquer de l’hydrogène – Meilleures pratiques

NREL, Berkeley Lab propose des méthodes idéales pour assurer la confiance dans la comparaison des mesures

Des scientifiques du National Renewable Energy Laboratory (NREL) du Département américain de l’énergie et du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) fournissent aux chercheurs un guide sur la meilleure façon de mesurer l’efficacité de la production d’hydrogène directement à partir de l’énergie solaire.

La séparation photoélectrochimique de l’eau (PEC), qui s’appuie sur la lumière du soleil pour séparer l’eau en ses éléments constitutifs – l’oxygène et l’hydrogène – se distingue comme l’une des voies les plus durables vers l’énergie propre. Cependant, les mesures de l’efficacité du processus PEC sur un système identique peuvent varier énormément d’un laboratoire à l’autre, en raison d’un manque de méthodes standardisées. Le nouveau guide des meilleures pratiques publié dans Frontières de la recherche énergétique vise à donner confiance dans la comparaison des résultats obtenus sur différents sites et par différents groupes.

La publication fournit une feuille de route pour la communauté PEC alors que les chercheurs continuent d’affiner la technologie. Ces meilleures pratiques ont été vérifiées par les deux laboratoires via des tests circulaires utilisant le même matériel de test, les mêmes photoélectrodes PEC et les mêmes procédures de mesure. La recherche sur le photovoltaïque a permis une certification des efficacités des cellules, mais les mesures d’efficacité de séparation de l’eau PEC n’ont pas encore de protocole largement accepté.

« Il est vraiment difficile de comparer les résultats d’efficacité de séparation de l’eau PEC entre les laboratoires, car les gens ont tendance à effectuer des mesures dans des conditions différentes », a déclaré Todd Deutsch, scientifique principal au NREL et co-auteur du nouvel article de la revue, « Les meilleures pratiques dans PEC : comment mesurer de manière fiable l’efficacité solaire-hydrogène des photocathodes. » « Le ministère de l’Énergie l’a reconnu il y a quelque temps, il y a donc eu pas mal d’efforts pour établir des normes dans lesquelles nous avons été impliqués – des efforts de collaboration multi-laboratoires et également des efforts spécifiques au NREL. »

Les autres auteurs du NREL sont Keenan Wyatt, Myles Steiner et James Young.

« La motivation de ce document de protocole était à la fois de servir de guide aux chercheurs qui viennent d’entrer sur le terrain et de décrire des astuces techniques subtiles pour les scientifiques plus expérimentés », a déclaré Francesca Toma, scientifique du personnel des matériaux au Berkeley Lab et co-auteur de l’article de revue. « Nous avons tiré parti des atouts uniques de deux laboratoires nationaux qui, ensemble, couvrent les domaines des sciences fondamentales et appliquées. »

Les autres co-auteurs de Berkeley Lab sont Olivia Alley, Guiji Liu, Tobias Kistler, David Larson et Jason Cooper.

L’article précise la voie à suivre pour que tous les laboratoires suivent une uniformité de pratiques expérimentales, à commencer par les matériaux nécessaires à la fabrication des photoélectrodes. Les auteurs détaillent ensuite la procédure de fabrication, la configuration expérimentale et le processus de mesure de l’efficacité solaire-hydrogène (STH). La mesure directe de la quantité d’hydrogène générée par la séparation de l’eau PEC est nécessaire pour une caractérisation précise de l’efficacité du STH, ont noté les chercheurs.

La séparation de l’eau PEC a été notée pour la première fois dans des publications scientifiques en 1972. Depuis lors, la recherche a continué à affiner et à améliorer le processus, mais jusqu’à présent, aucune procédure de mesure standardisée des STH n’a été établie. Le NREL a établi le premier record d’efficacité STH dépassant 10 % (12,4 % STH) en 1998, mais en 2016, il a révisé ce chiffre à la baisse dans une publication décrivant les pièges courants à éviter lors des mesures d’efficacité, après avoir réalisé que l’expérience originale avait été sur-éclairée. . En 2017, l’équipe a utilisé l’ingénierie des bandes interdites pour concevoir des absorbeurs de lumière plus optimisés pour utiliser le spectre solaire, ce qui a entraîné une STH plus élevée de 16,2 %, un nouveau record mondial à l’époque.

Le bureau des technologies de l’hydrogène et des piles à combustible du département américain de l’énergie a fixé à 25 % l’objectif ultime pour le STH grâce à la séparation de l’eau PEC, bien qu’une analyse préliminaire des coûts suggère que l’hydrogène à un coût compétitif pourrait être obtenu avec des rendements inférieurs. Les photoélectrodes ont démontré des efficacités de 10% à 20%.

Les chercheurs du PEC continuent également de travailler sur l’amélioration de la durabilité. Le semi-conducteur utilisé pour capter la lumière du soleil est immergé dans un électrolyte aqueux (à base d’eau). Mais avec un pH d’électrolyte allant d’acide à alcalin, l’électrolyte corrode le semi-conducteur et raccourcit sa durée de vie.

« La durabilité est toujours à peu près un obstacle pour cette technologie », a déclaré Deutsch. « Il y a eu quelques progrès, mais pas autant que récemment dans l’amélioration de l’efficacité. »

Deutsch a co-écrit un nouvel article, également en Frontières de la recherche énergétique, sur « Long-Term Stability Metrics of Photoelectrochemical Water Splitting » qui décrit la réalisation simultanée, hautement efficace et stable de la séparation de l’eau PEC non assistée comme le « Saint Graal » dans la production de carburant propre et renouvelable. Cet article fournit un cadre pour mener des expériences de stabilité à long terme dans l’espoir d’obtenir une stabilité ultra élevée (durée supérieure à 10 000 heures) et une efficacité supérieure à 15 %.

Le consortium HydroGEN Advanced Water Splitting Materials, créé dans le cadre du réseau Energy Materials Network sous l’égide du Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du Département américain de l’énergie, a financé la recherche.

Le NREL est le principal laboratoire national du Département américain de l’énergie pour la recherche et le développement sur les énergies renouvelables et l’efficacité énergétique. NREL est exploité pour le département de l’énergie par l’Alliance for Sustainable Energy, LLC.

Article publié avec l’aimable autorisation du Laboratoire national des énergies renouvelables.

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