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
-
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 :
-
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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Présentation
Verrous de l’ingénierie vers la conception de procédés industriels performants
En anglais
3. Différentes technologies des systèmes photoréactifs à l’échelle laboratoire
La photosynthèse artificielle peut être mise en œuvre dans deux technologies différentes que nous abordons dans cette partie. Comme précisé dans le titre, ne sont présentés ici que les dispositifs à l’échelle laboratoire, puisqu’ils représentent l’immense majorité des études actuelles. En effet, la photosynthèse artificielle relève encore essentiellement de la recherche académique et il n’existe pas d’installation pilote en France (elles sont très rares à l’international ; il existe par exemple des pilotes pour la réduction du CO2 à l’ETH de Zürich, au centre de R&D de Toshiba au Japon et pour la production d’H2 à Tokyo également au Japon). Ces dispositifs à petite échelle sont conçus pour l’étude et la compréhension des processus élémentaires, ainsi que leur modélisation et non pas pour atteindre des performances élevées ou permettre l’extrapolation industrielle. Ces derniers points seront abordés plus loin dans cet article (§ 4 et 5).
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Différentes technologies des systèmes photoréactifs à l’échelle laboratoire
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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