Des opportunités économiques de conversion directe de l’énergie solaire en hydrogène voient le jour

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Les chercheurs de l’Université nationale australienne (ANU) ont attiré les projecteurs sur l’efficacité des procédés de production d’hydrogène à partir de l’énergie solaire qui contournent les électrolyseurs et évitent les pertes en transport et en conversion du courant continu en courant alternatif. Un groupe basé à l’ANU affirme que son record mondial de 17,6 % d’efficacité (atteint grâce à des absorbeurs en tandem pérovskite-silicium) est ouvert à un raffinement supplémentaire qui pourrait permettre à la production d’hydrogène propre de devenir compétitive financièrement plus rapidement que prévu par rapport aux carburants, y compris l’hydrogène brun et le gaz.

Dans un article publié dans la revue Advanced Energy Materials, les auteurs principaux Siva Krishna Karuturi et Heping Shen écrivent que, bien que les modules photovoltaïques soient devenus une méthode commercialement viable pour la production d’énergie renouvelable à grande échelle, « la réalisation d’une transition mondiale vers les énergies renouvelables dépend en outre de la prise en compte de l’intermittence de l’électricité solaire par le développement de moyens de stockage d’énergie transportables ».

Avec le soutien financier de l’Australian Renewable Energy Agency (ARENA) et du Australian Research Council (ARC), l’équipe de l’ANU a exploré le potentiel d’un processus que Karuturi compare à la photosynthèse : il convertit l’énergie du soleil directement en hydrogène dans une cellule photoélectrochimique (PEC).

L’introduction de l’article (qui porte le titre accrocheur de « Plus de 17 % d’efficacité, la séparation solaire autonome de l’eau rendue possible par les absorbeurs tandem Perovskite-Silicium ») explique que la cellule PEC « comprend une photoélectrode semi-conductrice immergée dans un électrolyte aqueux qui absorbe la lumière, générant des paires électron-trou qui participent à la réaction d’évolution de l’hydrogène et à la réaction d’évolution de l’oxygène. »

En 2009, le ministère américain de l’Énergie, soucieux de fournir un cadre pour la viabilité de la production d’hydrogène vert, a fixé des objectifs de 20 % d’efficacité de la séparation de l’eau pour les cellules photoélectrochimique (PEC) d’ici 2020, avec un rendement de 25 % comme but ultime.

Bien que les semi-conducteurs aient démontré des rendements de conversion de l’énergie solaire en hydrogène (STH) allant jusqu’à 19 %, le coût élevé des matériaux a limité leur utilisation. Dans le même temps, les rendements de conversion STH obtenus avec des matériaux semi-conducteurs peu coûteux sont restés inférieurs à 10 % et les matériaux eux-mêmes ont été vulnérables à la dégradation.

Le couplage, par les chercheurs de l’ANU, d’une photocathode à jonction p-n noyée en silicium/titane/platine avec une cellule solaire semi-transparente en pérovskite, est le premier déploiement de matériaux moins chers à atteindre un rendement proche de 20 %.

a) Une illustration schématique de la photocathode en silicium texturée à double face avec une jonction noyée. b) Des images en fausses couleurs obtenues par microscopie électronique à balayage d’une photocathode en silicium montrant une surface avant texturée (bleue) qui capte la lumière et une surface arrière catalytiquement active.

Graphique/photo : Australian National University

« Comme le révèlent les résultats de notre modélisation, la démonstration de faisabilité offre d’immenses possibilités d’améliorer encore l’efficacité et de réduire les coûts grâce à l’optimisation des performances des différents composants et au remplacement des précieux catalyseurs par des matériaux abondants », a écrit Karuturi.

Il a décrit la solution de son équipe comme « une voie élégante et potentiellement économique pour stocker l’énergie solaire ».

Une cellule PEC tandem pérovskite-silicium à double absorption pour la séparation de l’eau autonome avec a) un schéma montrant une cellule solaire pérovskite câblée à une photocathode en silicium en tandem et une anode DSA et b) un diagramme général représentatif de la bande d’énergie.

Graphique : Australian National University

Financé dans le cadre du programme « Advancing Renewables Program » de l’ARENA depuis août 2018, le projet devait contribuer au « développement d’une chaîne d’exportation potentielle d’énergie renouvelable grâce à la recherche et au développement de la production d’hydrogène gazeux en utilisant l’énergie solaire », a noté l’ARENA à l’époque.

Fin mars, le projet BloombergNEF Hydrogen Economy Outlook (Perspectives de l’économie de l’hydrogène) a évalué que l’hydrogène renouvelable pourrait être produit pour 0,80 à 1,60 dollar US/kg dans la plupart des régions du monde avant 2050. « Cela équivaut à du gaz à 6-12 $ US/MMBtu (millions d’unités thermiques britanniques) », a écrit Kobad Bhavnagri, responsable de la décarbonisation industrielle pour le BNEF et principal auteur du rapport. L’auteur a déclaré que le prix rendrait l’hydrogène propre compétitif par rapport au prix du gaz naturel dans de nombreux pays sur une base d’équivalence énergétique.

Ces calculs s’appuyaient en partie sur la baisse continue des coûts des électrolyseurs. Le processus PEC, cependant, en contournant l’étape de l’électrolyseur pour la production d’hydrogène vert à grande échelle (et son facteur de coût limitatif associé) a montré que le travail de l’équipe ANU pouvait changer la donne dans la course à la production d’hydrogène commercialement viable.

« L’hydrogène est prometteur et puissant parce qu’il peut être utilisé pour tant de choses », a déclaré Bhavnagri, qui a cité son potentiel pour remplacer les combustibles fossiles dans des secteurs difficiles à exploiter tels que la fabrication de l’acier, le traitement de l’aluminium, la fourniture d’énergie acheminable, la production d’ammoniac et l’alimentation des camions et du fret maritime.

Ainsi déployé, l’hydrogène pourrait effacer un tiers des émissions mondiales provenant des combustibles fossiles.

Bhavnagri a toutefois souligné que pour tenir ses promesses en tant que carburant vert, l’hydrogène aurait besoin d’un soutien politique rigoureux pour amener les économies mondiales à atteindre des émissions nettes zéro, notamment en mettant un prix sur le carbone.

Une telle clarté d’objectif en matière d’énergie propre semble peu probable de la part du gouvernement australien. En effet, il s’est obstiné à maintenir une approche « technologiquement neutre » dans le rapport National Hydrogen Strategy (Stratégie nationale au sujet de l’hydrogène) qui a été publié à la fin de l’année dernière et qui est passé en mai sous forme de loi conçue pour soutenir la production d’hydrogène à partir du lignite.

Dans son document de travail sur la feuille de route pour l’investissement technologique, le gouvernement a fixé l’objectif ambitieux (appelé « H2 under 2 ») de produire de l’hydrogène pour 2 dollars australiens par kg (1,38 dollar américain), par quelque moyen que ce soit. Il semble que la production d’hydrogène propre à un coût compétitif est très attendue.

Natalie Filatoff

Traduit par Julien Rouwens