Carburant solaire - Solar fuel

Un combustible solaire est un combustible chimique synthétique produit à partir de l'énergie solaire. Combustibles solaires peuvent être produits par photochimique ( par exemple l' activation de certaines réactions chimiques par des photons ), photobiologique ( à savoir, la photosynthèse artificielle ), thermochimique ( par exemple, par l'utilisation de la chaleur solaire fournie par l' énergie thermique solaire concentrée pour conduire une réaction chimique), et réactions électrochimiques (c'est-à-dire utiliser l'électricité des panneaux solaires pour provoquer une réaction chimique ). La lumière est utilisée comme source d'énergie , l'énergie solaire étant convertie en énergie chimique, typiquement en réduisant les protons en hydrogène , ou le dioxyde de carbone en composés organiques .

Un combustible solaire peut être produit et stocké pour une utilisation ultérieure, lorsque la lumière du soleil n'est pas disponible, ce qui en fait une alternative aux combustibles fossiles et aux batteries. Des exemples de tels carburants sont l'hydrogène, l'ammoniac et l'hydrazine. Divers photocatalyseurs sont en cours de développement pour réaliser ces réactions de manière durable et respectueuse de l'environnement .

Aperçu

La dépendance du monde vis-à-vis des réserves en déclin de combustibles fossiles pose non seulement des problèmes environnementaux mais aussi géopolitiques . Les combustibles solaires, en particulier l'hydrogène, sont considérés comme une source d'énergie alternative pour remplacer les combustibles fossiles, en particulier lorsque le stockage est essentiel. L'électricité peut être produite directement à partir du soleil grâce au photovoltaïque , mais cette forme d'énergie est plutôt inefficace à stocker par rapport à l'hydrogène. Un combustible solaire peut être produit quand et où la lumière du soleil est disponible, et stocké et transporté pour une utilisation ultérieure. Cela le rend beaucoup plus pratique, car il peut être utilisé dans des situations où la lumière directe du soleil n'est pas disponible.

Les combustibles solaires les plus étudiés sont l'hydrogène, car le seul produit de l'utilisation de ce combustible est l'eau, et les produits de réduction photochimique du dioxyde de carbone , qui sont des combustibles plus conventionnels comme le méthane et le propane. Les recherches à venir portent également sur l'ammoniac et les substances apparentées (c.-à-d. l'hydrazine). Ceux-ci peuvent relever les défis liés à l'hydrogène, en étant un moyen plus compact et plus sûr de stocker l'hydrogène. Les piles à combustible directes à l'ammoniac sont également à l'étude.

Les combustibles solaires peuvent être produits via des procédés directs ou indirects. Les processus directs exploitent l'énergie de la lumière du soleil pour produire un carburant sans conversion d'énergie intermédiaire. En revanche, dans les processus indirects, l'énergie solaire est d'abord convertie en une autre forme d'énergie (comme la biomasse ou l'électricité) qui peut ensuite être utilisée pour produire un carburant. Les procédés indirects ont été plus faciles à mettre en œuvre mais ont l'inconvénient d'être moins efficaces que la méthode directe. Par conséquent, les méthodes directes devraient être considérées comme plus intéressantes que leurs homologues moins efficaces. De nouvelles recherches se concentrent donc davantage sur cette conversion directe, mais aussi sur des combustibles utilisables immédiatement pour équilibrer le réseau électrique.

Production d'hydrogène

Photoélectrochimique

Un échantillon d'une cellule photoélectrique dans un environnement de laboratoire. Des catalyseurs sont ajoutés à la cellule, qui est immergée dans l'eau et éclairée par la lumière du soleil simulée. Les bulles observées sont l'oxygène (se formant à l'avant de la cellule) et l'hydrogène (se formant à l'arrière de la cellule).

Dans un procédé photoélectrochimique solaire , l'hydrogène peut être produit par électrolyse . Pour utiliser la lumière du soleil dans ce processus, une cellule photoélectrochimique peut être utilisée, où une électrode photosensibilisée convertit la lumière en un courant électrique qui est ensuite utilisé pour séparer l'eau . Un de ces types de cellules est la cellule solaire à colorant . Il s'agit d'un processus indirect, car il produit de l'électricité qui est ensuite utilisée pour former de l'hydrogène. Un autre processus indirect utilisant la lumière du soleil est la conversion de la biomasse en biocarburant à l' aide d' organismes photosynthétiques ; cependant, la plupart de l'énergie récoltée par la photosynthèse est utilisée dans les processus de maintien de la vie et donc perdue pour la consommation d'énergie.

Un semi-conducteur peut également être utilisé comme photosensibilisateur. Lorsqu'un semi-conducteur est touché par un photon d'une énergie supérieure à la bande interdite , un électron est excité vers la bande de conduction et un trou est créé dans la bande de valence. En raison de la courbure de la bande, les électrons et les trous se déplacent vers la surface, où ces charges sont utilisées pour diviser les molécules d'eau. De nombreux matériaux différents ont été testés, mais aucun n'a jusqu'à présent montré les exigences pour une application pratique.

Photochimique

Dans un processus photochimique , la lumière du soleil est directement utilisée pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène. Parce que le spectre d'absorption de l'eau ne chevauche pas le spectre d'émission du soleil, la dissociation directe de l'eau ne peut pas avoir lieu, un photosensibilisateur doit être utilisé. Plusieurs de ces catalyseurs ont été développés comme preuve de concept , mais pas encore mis à l'échelle pour une utilisation commerciale ; néanmoins, leur relative simplicité offre l'avantage d'un coût potentiel inférieur et d'une efficacité de conversion énergétique accrue. Une de ces preuves de concept est la « feuille artificielle » développée par Nocera et ses collègues : une combinaison de catalyseurs à base d' oxyde métallique et d'une cellule solaire à semi - conducteur produit de l'hydrogène lors de l'éclairage, l' oxygène étant le seul sous-produit.

Photobiologique

Dans un procédé photobiologique , l'hydrogène est produit à l'aide de micro-organismes photosynthétiques ( microalgues vertes et cyanobactéries ) dans des photobioréacteurs . Certains de ces organismes produisent de l'hydrogène en changeant de conditions de culture ; par exemple, Chlamydomonas reinhardtii produit de l'hydrogène de manière anaérobie sous privation de soufre , c'est-à-dire lorsque les cellules sont déplacées d'un milieu de croissance à un autre qui ne contient pas de soufre et sont cultivées sans accès à l'oxygène atmosphérique. Une autre approche a consisté à supprimer l' activité de l'hydrogène-oxydant (absorption) hydrogénase enzyme dans le diazotrophes cyanobactérie Nostoc punctiforme , de sorte qu'il ne serait pas consommer un atome d' hydrogène qui est produite naturellement par la nitrogénase enzyme en fixant l' azote conditions. Ce mutant de N. punctiforme pourrait alors produire de l'hydrogène lorsqu'il était éclairé par la lumière visible .

Une autre cyanobactérie mutante , Synechocystis , utilise les gènes de la bactérie Rubrivivax gelatinosus CBS pour produire de l'hydrogène. Les bactéries CBS produisent de l'hydrogène par oxydation du monoxyde de carbone. Les chercheurs travaillent à implémenter ces gènes dans le Synerchocystis. Si ces gènes peuvent être appliqués, il faudra un certain effort pour surmonter les problèmes d'inhibition de l'oxygène dans la production d'hydrogène, mais on estime que ce processus peut potentiellement produire jusqu'à 10 % de capture d'énergie solaire. Cela fait de la recherche photobiologique une branche très excitante et prometteuse des explorations de la production d'hydrogène. Pourtant, les problèmes pour surmonter la nature à court terme de la production d'hydrogène d'algues sont nombreux et la recherche n'en est qu'à ses débuts. Cependant, cette recherche fournit un moyen viable d'industrialiser ces procédés renouvelables et respectueux de l'environnement.

Thermochimique

Dans le processus thermochimique solaire , l'eau est divisée en hydrogène et oxygène en utilisant la chaleur solaire directe, plutôt que l'électricité, à l'intérieur d'un réacteur solaire à haute température qui reçoit un flux solaire hautement concentré d'un champ solaire d'héliostats qui concentrent la lumière solaire hautement concentrée dans le réacteur.

Les deux voies les plus prometteuses sont le cycle à deux étapes de l'oxyde de cérium et le cycle hybride cuivre-chlore . Pour le cycle de l'oxyde de cérium, la première étape consiste à décaper le CeO ₃ en Ce ₂ O ₃ à plus de 1400 °C. Après l'étape de réduction thermique pour réduire l'oxyde métallique, de l'hydrogène est ensuite produit par hydrolyse à environ 800 °C. Le cycle du chlorure de cuivre nécessite une température plus basse (~500°C), ce qui rend ce processus plus efficace, mais le cycle contient plus d'étapes et est également plus complexe que le cycle de l'oxyde de cérium.

Parce que la fabrication d'hydrogène nécessite des performances continues, le processus thermochimique solaire inclut le stockage d'énergie thermique . Une autre méthode thermochimique utilise le reformage solaire du méthane, un processus qui reproduit le processus traditionnel de reformage des combustibles fossiles mais remplace la chaleur solaire.

Réduction du dioxyde de carbone

Le dioxyde de carbone (CO ₂ ) peut être réduit en monoxyde de carbone (CO) et en d'autres composés plus réduits, tels que le méthane , en utilisant les photocatalyseurs appropriés. L'un des premiers exemples a été l'utilisation du chlorure de Tris(bipyridine)ruthénium(II) (Ru(bipy) ₃ Cl ₂ ) et du chlorure de cobalt (CoCl ₂ ) pour la réduction du CO ₂ en CO. Ces dernières années, de nombreux nouveaux catalyseurs ont permis de réduire CO ₂ en CO, après quoi le CO pourrait être utilisé pour fabriquer des hydrocarbures en utilisant par exemple le procédé Fischer-Tropsch . Le système le plus prometteur pour la réduction du CO ₂ est la combinaison d'une cellule photovoltaïque avec une cellule électrochimique (PV+EC). Pour la cellule photovoltaïque GaInP très efficace / GaAs / Ge cellule solaire est utilisée. La cellule électrochimique actuellement la plus performante est la cellule d'écoulement à électrode à diffusion gazeuse (GED). Dans lequel le CO ₂ réagit sur les nanoparticules d'Ag pour produire du CO. Des rendements solaires en CO allant jusqu'à 19% ont été atteints, avec une perte d'activité minimale après 20h.

Le CO peut également être produit sans catalyseur en utilisant la dissociation du CO ₂ entraînée par plasma micro-ondes . Ce procédé est relativement efficace, avec un rendement électricité/CO allant jusqu'à 50 %, mais avec une faible conversion d'environ 10 %. Ces faibles conversions ne sont pas idéales, car le CO et le CO ₂ sont difficiles à séparer à grande échelle de manière efficace. Le gros avantage de ce processus est qu'il peut être éteint et allumé assez rapidement et n'utilise pas de matériaux rares. Le plasma (faiblement ionisé) est produit à l'aide de micro - ondes , ces micro-ondes peuvent accélérer les électrons libres dans le plasma. Ces électrons interagissent avec le CO ₂ qui excitent vibratoirement le CO ₂ , ce qui conduit à la dissociation du CO ₂ en CO. L'excitation et la dissociation se produisent suffisamment rapidement pour que seule une petite partie de l'énergie soit convertie en chaleur, ce qui maintient l'efficacité élevée . La dissociation produit également un radical oxygène qui réagit avec le CO ₂ en CO et O ₂ .

Dans ce cas également, l'utilisation de micro-organismes a été explorée. En utilisant des techniques de génie génétique et de biologie synthétique , des parties ou des voies métaboliques entières de production de biocarburants peuvent être introduites dans les organismes photosynthétiques. Un exemple est la production de 1-butanol dans Synechococcus elongatus en utilisant des enzymes de Clostridium acetobutylicum , Escherichia coli et Treponema denticola . Un exemple d'installation de recherche à grande échelle explorant ce type de production de biocarburants est l' AlgaePARC de l' Université et du Centre de recherche de Wageningen , aux Pays - Bas .

Production d'ammoniac et d'hydrazine

Les substances riches en hydrogène comme l' ammoniac et l' hydrazine sont idéales pour stocker l'hydrogène. Cela est dû à leur densité énergétique, pour l'ammoniac au moins 1,3 fois celle de l'hydrogène liquide. L'hydrazine est presque deux fois plus dense en énergie que l'hydrogène liquide, mais un inconvénient est que l'utilisation de piles à combustible à hydrazine directe nécessite une dilution, ce qui réduit la puissance globale que l'on peut obtenir de cette pile à combustible. Outre la densité volumétrique élevée, l'ammoniac et l'hydrazine hydratée ont une faible inflammabilité, ce qui le rend supérieur à l'hydrogène en réduisant les coûts de stockage et de transport.

Ammoniac

Les piles à combustible directes à l' ammoniac sont recherchées pour cette raison exacte et de nouvelles études ont présenté une nouvelle synthèse d'ammoniac solaire intégrée et une nouvelle pile à combustible. La base solaire résulte de l'excès d'énergie solaire qui est utilisé pour synthétiser l'ammoniac. Ceci est réalisé en utilisant une cellule électrolytique à l'ammoniac (AEC) en combinaison avec une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM). Lorsqu'une baisse de l'énergie solaire se produit, une pile à combustible à ammoniac direct entre en action pour fournir l'énergie manquante. Cette recherche récente (2020) est un exemple clair d'utilisation efficace de l'énergie, qui se fait essentiellement par le stockage temporaire et l'utilisation d'ammoniac comme carburant. Le stockage de l'énergie dans l'ammoniac ne se dégrade pas dans le temps, ce qui est le cas des batteries et des volants d'inertie . Cela permet un stockage d'énergie à long terme. Cette forme compacte d'énergie présente l'avantage supplémentaire que l'énergie excédentaire peut facilement être transportée vers d'autres emplacements. Cela doit être fait avec des mesures de sécurité élevées en raison de la toxicité de l'ammoniac pour l'homme. Des recherches supplémentaires doivent être menées pour compléter ce système avec des centrales éoliennes et hydroélectriques afin de créer un système hybride pour limiter les interruptions d'alimentation électrique. Il est également nécessaire d'enquêter sur les performances économiques du système proposé. Certains scientifiques envisagent une nouvelle économie de l'ammoniac qui est presque la même que l'industrie pétrolière, mais avec l'énorme avantage d'une énergie sans carbone inépuisable. Ce soi-disant ammoniac vert est considéré comme un carburant potentiel pour les très grands navires. Le constructeur naval sud-coréen DSME prévoit de commercialiser ces navires d'ici 2025.

hydrazine

Une autre façon de stocker l'énergie est l'utilisation de l'hydrazine. Cette molécule est liée à l'ammoniac et a le potentiel d'être tout aussi utile que l'ammoniac. Il peut être créé à partir d'ammoniac et de peroxyde d'hydrogène ou via des oxydations à base de chlore . Cela en fait un carburant de stockage d'énergie encore plus dense. L'inconvénient de l'hydrazine est qu'elle est très toxique et qu'elle réagira assez violemment avec l'oxygène. Cela en fait un carburant idéal pour les zones pauvres en oxygène telles que l'espace. Les satellites Iridium NEXT récemment lancés ont l'hydrazine comme source d'énergie. Bien que toxique, ce carburant a un grand potentiel, car les mesures de sécurité peuvent être suffisamment renforcées pour transporter et reconvertir en toute sécurité l'hydrazine en hydrogène et en ammoniac. Les chercheurs ont découvert un moyen de décomposer l'hydrazine avec un système de photocatalyse qui fonctionne sur toute la région de la lumière visible. Cela signifie que la lumière du soleil peut non seulement être utilisée pour produire de l'hydrazine, mais aussi pour produire de l'hydrogène à partir de ce carburant. La décomposition de l'hydrazine se fait avec une bicouche pn constituée de fullerène (C ₆₀ ), également connu sous le nom de "buckeyballs" qui est un semi - conducteur de type n et de phtalocyanine de zinc (ZnPc) qui est un semi-conducteur de type p créant un système de photo catalyse organique . Ce système utilise une irradiation de lumière visible pour exciter les électrons vers le semi-conducteur de type n créant un courant électrique. Les trous créés dans le semi-conducteur de type p sont forcés en direction de la partie dite Nafion du dispositif, qui oxyde l'hydrazine en azote gazeux et en ions hydrogène dissous. Cela a été fait dans le premier compartiment de la pile à combustible. Les ions hydrogène voyagent à travers un pont salin vers un autre compartiment pour être réduits en hydrogène gazeux par les électrons, gagnés par l'interaction avec la lumière, du premier compartiment. Ainsi, créant de l'hydrogène, qui peut être utilisé dans les piles à combustible. Cette étude prometteuse montre que l'hydrazine est un combustible solaire qui a un grand potentiel pour devenir très utile dans la transition énergétique .

Une approche différente de l'hydrazine sont les piles à combustible directes. Les concepts de ces cellules ont été développés depuis les années 1960. Des études récentes fournissent de bien meilleures piles à combustible à hydrazine directe, par exemple avec l'utilisation de peroxyde d'hydrogène comme oxydant. Le fait de rendre l' anode basique et la cathode acide a beaucoup augmenté la densité de puissance, montrant des pics élevés d'environ 1 W/cm ² à une température de 80 degrés Celsius. Comme mentionné précédemment, la principale faiblesse des piles à combustible à hydrazine directe est la toxicité élevée de l'hydrazine et de ses dérivés. Cependant, l'hydrazine hydratée, qui est un liquide semblable à de l'eau, conserve la haute densité d'hydrogène et peut être stockée et transportée en toute sécurité à l'aide de l'infrastructure de carburant existante. Les chercheurs visent également des piles à combustible autonomes utilisant de l'hydrazine. Ces piles à combustible utilisent l'hydrazine de deux manières, à savoir comme combustible pour une pile à combustible directe et comme cible de fractionnement. Cela signifie que l'on n'a besoin que d'hydrazine pour produire de l'hydrogène avec cette pile à combustible, donc aucune alimentation externe n'est nécessaire. Ceci est fait avec l'utilisation de nanofeuillets de sulfure de cobalt dopés au fer. Le dopage au fer diminue les changements d'énergie libre de l'adsorption d'hydrogène et de la déshydrogénation de l' hydrazine . Cette méthode a une stabilité de 20 heures et une efficacité faradique de 98% , ce qui est comparable aux meilleures allégations rapportées de cellules génératrices d'hydrogène autoalimentées.

Autres applications

Electrolyse de l'eau pour la production d'hydrogène combinée au solaire photovoltaïque à l' aide d' électrolyseurs alcalins , PEM et SOEC ; Cette utilisation basique de l'énergie électrique générée par la lumière solaire pour séparer l'eau en hydrogène et oxygène s'est avérée un peu plus efficace que, par exemple, la capture de l'hydrogène par reformage à la vapeur. La technologie alcaline de production d'hydrogène a des coûts faibles et est considérée comme mature. Cela a pour conséquence que le rendement par unité de temps est nettement plus élevé que lors de l'utilisation de la technologie PEM. Cependant, la technologie PEM n'a pas de problèmes de corrosion et est plus efficace, tandis que la technologie de production alcaline présente l'inconvénient de la corrosion et d'une efficacité moindre. En plus de cela, la technologie PEM a un démarrage rapide et une maintenance simple. Cependant, dans la production en vrac, la technologie de production d'hydrogène alcalin est supérieure.
Heliogen [citation nécessaire) revendique le succès dans l'utilisation d'héliostats solaires utilisés pour diriger la lumière du soleil vers une tour, pour atteindre une température de 1500°C dans la production d'hydrogène. Une telle température peut diviser thermochimiquement l'eau en hydrogène et oxygène. Cela peut être fait en utilisant la chaleur des centrales nucléaires ou par des champs de miroirs solaires adaptatifs pour rediriger la lumière du soleil pour atteindre les températures élevées nécessaires à ces processus thermochimiques. Cependant, ce mode de production d'hydrogène n'en est qu'à ses balbutiements et il n'est pas encore prouvé que cette production d'hydrogène soit rentable et efficace, car elle doit concurrencer d'autres technologies matures.

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