Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Cet article traite de la production photoréactive d’hydrogène à partir d’eau et d’énergie solaire, connue également sous le nom de photosynthèse artificielle. Sont abordés les recherches sur de nouveaux photocatalyseurs pour photolyser efficacement la molécule d’eau et les recherches en sciences de l’ingénieur pour développer les deux technologies envisageables pour la production d’hydrogène solaire, à savoir les photoréacteurs et les cellules photo-électrochimiques. Les paramètres clé pour la conception et l’optimisation de ces technologies, ainsi que les performances maximales accessibles, sont présentés et discutés sur la base de l’analyse de modèles de connaissances unifiés.
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This article deals with the photoreactive production of hydrogen from water and solar energy, also known as artificial photosynthesis. It addresses both aspects of the research on new photo-catalysts to efficiently perform the splitting of water, as well as aspects of needed developments in engineering sciences to validate the two possible technologies for the production of solar hydrogen, namely photoreactors and photo-electrochemical cells. The key parameters for the design and optimization of these technologies as well as the maximum achievable performances are presented and discussed on the basis of the analysis of unified knowledge models also outlined in the article.
Auteur(s)
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Jean-François CORNET : Université Clermont Auvergne, Clermont Auvergne INP, CNRS, Institut Pascal, Clermont-Ferrand, France
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Jérémi DAUCHET : Université Clermont Auvergne, Clermont Auvergne INP, CNRS, Institut Pascal, Clermont-Ferrand, France
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Fabrice GROS : Université Clermont Auvergne, Clermont Auvergne INP, CNRS, Institut Pascal, Clermont-Ferrand, France
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Thomas VOURC’H : Université Clermont Auvergne, Clermont Auvergne INP, CNRS, Institut Pascal, Clermont-Ferrand, France
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Frédéric GLOAGUEN : Université de Bretagne Occidentale, CNRS, Laboratoire CEMCA, Brest, France
INTRODUCTION
Il existe aujourd’hui de nombreux procédés à l’étude dans les laboratoires pour produire des combustibles renouvelables à très faible émission de CO2. Ces carburants sont incontournables pour bon nombre d’usages de nos sociétés et représentent la seule possibilité crédible de stockage massif des énergies renouvelables intermittentes sous la forme de liaisons chimiques. Le premier carburant à synthétiser, car il est décarboné et à la base de tous les autres carburants de synthèse, est l’hydrogène (H2). Il peut être utilisé directement dans un moteur thermique ou une pile à combustible, comme réactif de réduction du CO2, afin de produire d’autres carburants gazeux ou liquides, ou bien de stocker les énergies intermittentes. La source d’énergie renouvelable la plus abondante sur Terre est de loin l’énergie solaire qui peut être utilisée pour produire de l’hydrogène (ou plus globalement ce que l’on nomme des carburants solaires) par conversion photoréactive directe ; on parle alors de photosynthèse artificielle. Cet article tente de faire le point sur l’état des connaissances scientifiques et techniques de l’ingénierie de la production d’hydrogène par photosynthèse artificielle. Les principaux verrous à lever pour aboutir à une technologie industrielle mature sont présentés et discutés. Les deux technologies envisagées aujourd’hui que sont les photoréacteurs et les cellules photo-électrochimiques sont également comparées d’un point de vue original et unificateur via une approche basée sur des modèles de connaissance. Enfin, les paramètres clés pour en améliorer les performances sont détaillés et les limites théoriques que pourraient atteindre de telles technologies à différents endroits de la planète sont chiffrées, notamment en termes de vitesse de production d’hydrogène et d’efficacité énergétique.
Domaine : énergies renouvelables
Degré de diffusion de la technologie : émergence
Technologies impliquées : photoréacteurs, cellules photo-électrochimiques
Domaines d’application : production d’énergie renouvelable, mobilité, stockage d’énergie solaire
Principaux acteurs français :
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Pôles de compétitivité : Axelera, Derbi, Tenerrdis
-
Centres de compétence : Institut Pascal, IFPEN, CEA, CNRS : GDR Solar Fuels
Contact : [email protected]
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
renewable hydrogen | solar fuels | photoreactors | photo-electrochemical cells
DOI (Digital Object Identifier)
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Performances maximales pour la production solaire d’hydrogène
En anglais
4. Verrous de l’ingénierie vers la conception de procédés industriels performants
Cette partie aborde la conception de procédés photoréactifs performants pour la production solaire d’hydrogène, donc le verrou de l’ingénierie. Il s’agit ici de proposer des outils théoriques et génériques (à toute technologie) permettant de comprendre et d’analyser les comportements observés expérimentalement aussi bien que, à terme, de concevoir et d’optimiser des technologies extrapolables et à haute efficacité cinétique et énergétique, compatibles avec l’industrialisation. Comme tous les procédés photoréactifs, ces technologies sont limitées et contrôlées par le transfert de rayonnement, ce qui rend leurs performances extrêmement dépendantes de la géométrie et des conditions aux limites comme la densité de flux de photons incidente. Leur conception, leur extrapolation et leur optimisation nécessitent donc d’investir dans des modèles de connaissance multi-échelles (celles où le transfert de rayonnement contrôle les performances finales, y compris les petites échelles de la nano-structuration des matériaux photocatalytiques), couplant la vitesse d’absorption du rayonnement avec la vitesse de production d’H2 via des lois thermocinétiques.
Ces modèles sont trop complexes pour être abordés ici en détail ; après avoir présenté clairement comment accéder au champ de rayonnement en volume, on se contentera d’en présenter l’architecture et de lister les principaux corpus théoriques nécessaires à la formulation des couplages. Ces aspects sont néanmoins d’une importance capitale afin de prendre un nécessaire recul dans la compréhension profonde de ces procédés photoréactifs, de même que pour comprendre la suite de l’article présentant des relations générales utilisables pour analyser le fonctionnement et l’optimisation des technologies concernées, voire d’en calculer les performances théoriques maximales. Sur la base d’autres procédés contrôlés par le transfert de rayonnement aux développements technologiques plus avancés (photobioréacteurs par exemple ...
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Verrous de l’ingénierie vers la conception de procédés industriels performants
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - INTERNATIONAL ENERGY AGENCY REPORT (IEA) - Key world energy statistics - (2020).
-
(2) - XIANG (C.), et al - Modeling, simulation, and implementation of solar-driven water-splitting devices. - Angew. Chem. Int. Ed., 55, 2-17 (2016).
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(3) - STEINFELD (A.) - Solar thermochemical production of hydrogen – a review. - Solar Energy, 78, 603-615 (2005).
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(4) - NOCERA (D.G.) - The Artificial Leaf. - Acc. Chem. Res., 45, 767–776 (2012).
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(5) - LEE (Y.), et al - Synthesis and Activities of Rutile IrO2 and RuO2 Nanoparticles for Oxygen Evolution in Acid and Alkaline Solutions. - J. Phys. Chem. Lett., 3, 399–404 (2012).
-
(6) - PELLEGRIN (Y.), ODOBEL (F.) - Sacrificial electron donor reagent for solar fuels production....
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