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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Sigles
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6. Conclusions – Perspectives
Après avoir présenté l’intérêt considérable de développer des technologies renouvelables pour produire des carburants chimiques facilement stockables (représentant aujourd’hui plus de 70 % de l’énergie finale consommée dans le monde), cet article s’est focalisé sur la production d’hydrogène solaire par photosynthèse artificielle. Les deux verrous principaux pour le développement de cette technologie qui font l’objet d’une intense recherche et qui seront au cœur des avancées de demain ont été présentées et analysés. Il s’agit tout d’abord d’un verrou en chimie pour la mise au point de photocatalyseurs efficaces, stables et bon marché pouvant réaliser l’oxydation de l’eau et la réduction des protons. Un autre verrou, en génie des procédés et énergétique cette fois, concerne le développement de prototypes et de démonstrateurs solaires à haute efficacité cinétique et énergétique, qui pourront monter en développement technologique et en échelle jusqu’à atteindre la maturité industrielle. Deux technologies coexistent sans que l’on puisse savoir aujourd’hui si l’une d’elles s’imposera dans le futur : les photoréacteurs dans lesquels le photocatalyseur est dissous ou en suspension en solution aqueuse, et les cellules photo-électrochimiques dans lesquelles l’oxydation de l’eau et la réduction des protons s’opèrent sur des électrodes où sont fixés les photo- et électrocatalyseurs. Ces deux technologies, bien que différentes, ont été présentées de façon unifiée, grâce au développement de modèles de connaissances, afin de démontrer qu’à quelques nuances près, elles font l’objet des mêmes paramètres clés d’ingénierie et de pistes d’optimisation qui ont ainsi pu être discutés. Ces modèles ont également permis d’évaluer les performances théoriques maximales qui pourront être atteintes par des procédés photoréactifs produisant directement de l’hydrogène à partir d’eau et d’énergie solaire. Ces calculs montrent que si les paris de la photocatalyse et du développement de technologies solaires innovantes à grande échelle sont gagnés, la photosynthèse artificielle est une voie prometteuse, qui s’imposera comme une technologie renouvelable efficace dans le mix énergétique de demain....
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Conclusions – Perspectives
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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