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Article

1 - PHOTOSYNTHÈSE ARTIFICIELLE POUR LA PRODUCTION RENOUVELABLE D’HYDROGÈNE

  • 1.1 - Contexte, enjeux et positionnement actuel
  • 1.2 - Verrous scientifiques et techniques

2 - VERROUS DE LA CATALYSE ET DIFFÉRENTS TYPES DE SYSTÈMES PHOTORÉACTIFS

3 - DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DES SYSTÈMES PHOTORÉACTIFS À L’ÉCHELLE LABORATOIRE

4 - VERROUS DE L’INGÉNIERIE VERS LA CONCEPTION DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS PERFORMANTS

5 - PERFORMANCES MAXIMALES POUR LA PRODUCTION SOLAIRE D’HYDROGÈNE

6 - CONCLUSIONS – PERSPECTIVES

7 - SIGLES

8 - NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : RE405 v1

Différentes technologies des systèmes photoréactifs à l’échelle laboratoire
Production d’hydrogène solaire par photosynthèse artificielle

Auteur(s) : Jean-François CORNET, Jérémi DAUCHET, Fabrice GROS, Thomas VOURC’H, Frédéric GLOAGUEN

Date de publication : 10 janv. 2023

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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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Auteur(s)

  • Jean-François CORNET : Université Clermont Auvergne, Clermont Auvergne INP, CNRS, Institut Pascal, Clermont-Ferrand, France

  • Jérémi DAUCHET : Université Clermont Auvergne, Clermont Auvergne INP, CNRS, Institut Pascal, Clermont-Ferrand, France

  • Fabrice GROS : Université Clermont Auvergne, Clermont Auvergne INP, CNRS, Institut Pascal, Clermont-Ferrand, France

  • 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.

Points clés

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]

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-re405

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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).

  • La technologie la plus simple pour mettre en œuvre la photosynthèse artificielle est celle du photoréacteur (PR) (§ 3.1...

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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).

  • (3) - STEINFELD (A.) -   Solar thermochemical production of hydrogen – a review.  -  Solar Energy, 78, 603-615 (2005).

  • (4) - NOCERA (D.G.) -   The Artificial Leaf.  -  Acc. Chem. Res., 45, 767–776 (2012).

  • (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.  -  C. R....

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