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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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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
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Centres de compétence : Institut Pascal, IFPEN, CEA, CNRS : GDR Solar Fuels
Contact : [email protected]
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Verrous de la catalyse et différents types de systèmes photoréactifs
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1. Photosynthèse artificielle pour la production renouvelable d’hydrogène
1.1 Contexte, enjeux et positionnement actuel
L’humanité est aujourd’hui confrontée à une page inédite de son histoire. Elle doit en effet réaliser sa troisième transition énergétique sous une contrainte temporelle forte imposée par la crise climatique liée aux émissions de gaz à effet de serre. Il y a donc une impérieuse nécessité à développer des énergies renouvelables et durables en quantités considérables au regard des plus de 18 TW (térawatt) (en puissance instantanée équivalente) qui sont consommés aujourd’hui en énergie primaire . Hélas, toutes les technologies renouvelables, mais pas toujours durables, connues de nos jours (hydraulique, solaire, éolien, géothermie, énergie houlomotrice et marémotrice) produisent essentiellement de l’électricité. Or l’électricité représente encore en 2021 moins de 20 % de l’énergie finale consommée dans le monde et on ne sait pas la stocker en grandes quantités. Aujourd’hui, hors contrainte, le point d’équilibre du mix énergétique fait que plus de 70 % de la demande finale en énergie (environ 11 TW) est assurée par des vecteurs énergétiques chimiques, c’est-à-dire des combustibles fossiles liquides, solides ou gazeux . Il est donc fondamental de s’intéresser à la production de tels combustibles à partir de ressources durables et de sources d’énergie renouvelables. Et incontestablement, la seule source d’énergie capable de répondre aux besoins considérables de l’humanité au XXIe siècle est l’énergie solaire, car elle peut fournir des centaines de térawatts, en considérant seulement les terres qui ne sont pas en concurrence avec l’agriculture, là où les autres...
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Photosynthèse artificielle pour la production renouvelable d’hydrogène
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - INTERNATIONAL ENERGY AGENCY REPORT (IEA) - Key world energy statistics - (2020).
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(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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(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).
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(6) - PELLEGRIN (Y.), ODOBEL (F.) - Sacrificial electron donor reagent for solar fuels production. - C. R....
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