Hydrogène vert : la séparation de l'eau PEC pourrait devenir compétitive

La lumière du soleil peut être utilisée pour produire de l'hydrogène vert directement à partir de l'eau dans des cellules photoélectrochimiques (PEC), expliquent des scientifiques du Holmholtz Zentrum Berlin dans un communiqué de presse.

Jusqu'à présent, les systèmes basés sur cette "approche directe" n'ont pas été énergétiquement compétitifs. Cependant, l'équilibre change dès qu'une partie de l'hydrogène de ces cellules PEC est utilisée à sa place naturelle pour une réaction d'hydrogénation catalytique, entraînant la coproduction de produits chimiques utilisés dans les industries chimiques et pharmaceutiques. Le temps de récupération énergétique de la production d'hydrogène "vert" photoélectrochimique peut être considérablement réduit, selon l'étude.

L'hydrogène peut être produit par électrolyse de l'eau, idéalement avec des cellules solaires ou l'énergie éolienne fournissant l'énergie électrique nécessaire. Cet hydrogène "vert" devrait jouer un rôle important dans le système énergétique du futur. Au cours de la dernière décennie, la séparation solaire de l'eau a fait des progrès considérables : les meilleurs électrolyseurs, qui tirent la tension requise des modules photovoltaïques ou de l'énergie éolienne, atteignent déjà des rendements allant jusqu'à 30 %. C'est l'approche indirecte.

Au HZB Institute for Solar Fuels, plusieurs équipes travaillent sur une approche directe de la séparation solaire de l'eau : elles développent des photoélectrodes qui convertissent la lumière du soleil en énergie électrique, sont stables dans les solutions aqueuses et favorisent catalytiquement la séparation de l'eau. Ces photoélectrodes sont constituées d'absorbeurs de lumière qui sont intimement couplés à des matériaux catalyseurs pour former le composant actif d'une cellule photoélectrochimique (PEC). Les meilleures cellules PEC basées sur des absorbeurs à oxyde métallique stables et peu coûteux atteignent déjà des rendements proches de 10 %. Bien que les cellules PEC soient encore moins efficaces que les électrolyseurs alimentés par PV, elles présentent également des avantages importants : dans les cellules PEC, par exemple, la chaleur du soleil peut être utilisée pour accélérer davantage les réactions. Et comme les densités de courant sont dix à cent fois plus faibles avec cette approche, il est possible d'utiliser comme catalyseurs des matériaux abondants et très peu coûteux.

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Jusqu'à présent, les analyses ont montré que l'approche PEC n'est pas encore compétitive pour une mise en œuvre à grande échelle. L'hydrogène issu des systèmes PEC coûte aujourd'hui environ 10 USD/kg, environ 6 fois plus que l'hydrogène issu du reformage à la vapeur de méthane fossile (1,5 USD/kg). De plus, la demande énergétique cumulée pour la séparation de l'eau PEC est estimée être 4 à 20 fois plus élevée que pour la production d'hydrogène avec des éoliennes et des électrolyseurs.

"C'est là que nous voulions apporter une nouvelle approche", explique le Dr Fatwa Abdi de l'Institut HZB pour les carburants solaires. Le groupe d'Abdi a étudié comment l'équilibre change lorsqu'une partie de l'hydrogène produit réagit davantage avec l'acide itaconique (IA) dans le même réacteur pour former de l'acide méthylsuccinique (MSA).

Ils ont d'abord calculé la quantité d'énergie nécessaire pour produire la cellule PEC à partir d'absorbeurs de lumière, de matériaux catalyseurs et d'autres matériaux tels que le verre, et combien de temps elle doit fonctionner pour produire cette énergie sous forme d'énergie chimique comme l'hydrogène ou le MSA. Pour l'hydrogène seul, ce « délai de récupération énergétique » est d'environ 17 ans en supposant une modeste efficacité solaire-hydrogène de 5 %. Si seulement 2% de l'hydrogène produit est utilisé pour convertir l'IA en MSA, le temps de retour énergétique est divisé par deux, et si 30% de l'hydrogène est converti en MSA, l'énergie de production peut être récupérée après seulement 2 ans. "Cela rend le processus beaucoup plus durable et compétitif", explique le Dr Abdi. Une des raisons : l'énergie nécessaire pour synthétiser le MSA dans une telle cellule PEC ne représente qu'un septième du besoin énergétique des processus de production de MSA conventionnels.

"Le système est flexible et peut également produire d'autres produits chimiques précieux qui sont actuellement nécessaires sur le site", explique Abdi. L'avantage est que les composantes fixes de l'unité PEC, qui représentent l'essentiel des coûts d'investissement, restent les mêmes ; seuls le catalyseur d'hydrogénation et la charge doivent être échangés. "Cette approche offre un moyen de réduire considérablement le coût de production de l'hydrogène vert et augmente la faisabilité économique de la technologie PEC", a déclaré Abdi. "Nous avons soigneusement réfléchi au processus, et la prochaine étape consiste à tester en laboratoire dans quelle mesure la production simultanée d'hydrogène et de MSA fonctionne dans la pratique."

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