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Dec 22, 2023

Soleil

Des progrès significatifs ont été réalisés ces dernières années vers la production d’électricité à partir d’énergies renouvelables. Toutefois, la production de carburants chimiques, qui représentent actuellement environ 80 % de la

Des progrès significatifs ont été réalisés ces dernières années vers la production d’électricité à partir d’énergies renouvelables. Cependant, la production de carburants chimiques, qui représentent actuellement environ 80 % de l’énergie que nous consommons (AIE, World Energy Balances, 2020), à partir d’énergies renouvelables est plus difficile. Le développement de méthodes de production vertes de carburants chimiques, où l'énergie renouvelable est stockée dans des liaisons chimiques, telles que les hydrocarbures et l'hydrogène, est essentielle car elle constitue un moyen de tamponner les énergies intermittentes (telles que l'énergie éolienne et solaire), essentielles pour soutenir l'économie nationale ou internationale. transport d'énergie et utile pour fournir de l'énergie à des endroits éloignés ou décentralisés.

Pour relever ce défi, Sun-To-X a été financé par le programme Horizon 2020 de l'Union européenne et est un consortium de neuf partenaires composé d'organismes de recherche et de technologie (RTO), de l'industrie et de petites et moyennes entreprises (PME). Le projet a débuté en septembre 2020 et devrait s'achever en février 2024.

Le projet Sun-To-X vise à explorer une nouvelle chaîne de valeur pour le stockage chimique de l'énergie (Fig. 1). Dans un premier temps, l’énergie solaire est utilisée pour produire de l’hydrogène à partir de l’humidité ambiante ou de la pluie, comme matière première pour l’eau. Cet hydrogène réagit ensuite par un processus thermochimique avec un précurseur recyclable à base d’oxyde de silicium pour former HydroSil – un carburant liquide sans carbone, non toxique et à forte densité énergétique, qui peut être directement applicable dans les secteurs des transports et de l’énergie.

La molécule HydroSil est stable pendant plus d’un an, ce qui la rend adaptée au stockage à long terme des énergies renouvelables. Nous explorons ensuite une autre utilisation d'HydroSil dans la dépolymérisation réductrice des déchets plastiques vers le développement d'une économie circulaire. Pour tous les processus de cette chaîne de valeur, le consortium s'est concentré sur l'utilisation de matériaux abondants afin de minimiser son impact environnemental.

Le projet poursuit les objectifs techniques clés suivants :

Ces objectifs contribuent aux objectifs de l’Union européenne et de Mission Innovation en matière de développement économique et d’amélioration de la sécurité énergétique grâce à la construction d’un système énergétique durable.

L’hydrogène solaire peut être produit à partir de diverses technologies, notamment la combinaison de panneaux photovoltaïques et d’électrolyseurs (PV-E), déjà commercialisés à petite échelle. Cependant, les défis liés au coût de production de l’hydrogène solaire ont conduit au développement de technologies alternatives, telles que les approches photoélectrochimiques. Les technologies photoélectrochimiques combinent les fonctionnalités d’absorption de la lumière et d’électrodes en un seul composant : la photoélectrode semi-conductrice. La réalisation de ces systèmes plus intégrés pourrait entraîner une baisse du coût de la future production d’hydrogène solaire (Shaner et al., Energy Environmental Science, 2016). Nos objectifs visent à développer un dispositif à efficacité solaire/hydrogène de 10 %.

La plupart des recherches sur les technologies photoélectrochimiques se sont concentrées sur l’utilisation de l’eau liquide comme matière première. L'utilisation de l'humidité ambiante comme alternative est une option de plus en plus recherchée pour étendre l'applicabilité géographique du dispositif, pour résoudre des problèmes techniques tels que la formation de bulles (qui peuvent disperser la lumière et bloquer les sites catalytiques) et la réflexion de la lumière depuis la surface de l'eau. La principale différence entre l'utilisation d'une source d'eau en phase liquide et gazeuse réside dans l'utilisation de photoélectrodes poreuses pour permettre à l'humidité de pénétrer dans l'appareil, alors qu'une photoélectrode à film mince peut être utilisée dans le cas de la phase liquide. De plus, l'utilisation d'un électrolyte solide absorbant l'eau tel que le Nafion est nécessaire pour la réaction en phase gazeuse, afin de mettre l'humidité en contact avec la photoélectrode.

Idéalement, les photoélectrodes seraient positionnées dans une configuration dite tandem, dans laquelle la photoanode et la photocathode absorbent chacune une partie différente du spectre solaire (c'est-à-dire la lumière bleue et rouge), la structure de notre dispositif cible étant illustrée à la figure 2, pour maximiser l’efficacité du solaire à l’hydrogène. Cela constitue un défi lors de l'utilisation de la configuration en phase gazeuse, car pour transférer efficacement la charge, la photoélectrode doit être déposée sur un support conducteur de charge. Dans le cas de photoélectrodes plates, des panneaux de verre revêtus d'oxyde d'étain dopé au fluor (FTO) peuvent être utilisés, qui sont à la fois conducteurs et transparents, permettant à la lumière de passer à travers la deuxième photoélectrode. Cependant, les supports poreux conducteurs, ou couches de diffusion de gaz, sont généralement préparés à partir de carbone ou de métaux (tels que le titane) qui sont complètement opaques. Actuellement, les défis liés à l'évolutivité et à la stabilité des systèmes photoélectrochimiques signifient que le niveau de maturité technologique (TRL) de ces systèmes tandem est actuellement de trois (fonctionnel en configuration de laboratoire). Sur la durée du projet, l'objectif est d'augmenter le TRL à cinq (démonstration dans un environnement pertinent).