Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
L'hydrogène est un point de départ essentiel pour la transformation des processus industriels dans le respect du climat. Une source d'énergie qui brûle sans libérer de CO2 devrait toutefois, dans la mesure du possible, être produite sans empreinte CO2. Un procédé classique à cet effet est l'électrolyse, au cours de laquelle l'eau est décomposée en hydrogène et en oxygène à l'aide d'électricité. Si l'électricité nécessaire à l'électrolyse provient de sources renouvelables comme le photovoltaïque, on obtient de l'hydrogène vert. L'inconvénient : les électrolyseurs nécessaires à ce processus sont généralement de grandes installations très complexes. De plus, les dispositifs coûteux et nécessitant un entretien intensif deviennent une denrée rare, en particulier sous les auspices actuels de la politique mondiale et climatique.
La décomposition directe de l'eau par le soleil, en anglais photoelectrochemical cell (PEC), offre une alternative intéressante. Dans le cadre du projet Neo-PEC, des chercheurs de trois instituts Fraunhofer ont mis au point une solution modulaire qui permet une production et un approvisionnement très flexibles en hydrogène à partir de l'énergie solaire.
Le cœur du développement de Fraunhofer est un module PEC tandem. Il ressemble à son homologue photovoltaïque classique, à une différence près : l'électricité n'est pas produite pour être ensuite électrolysée ailleurs. L'ensemble du processus se déroule dans une seule et même unité. La prudence est toutefois de mise : Comme le processus produit de l'hydrogène et de l'oxygène, la structure doit être conçue de manière à ce que ces éléments soient et restent strictement séparés les uns des autres.
Pour la cellule tandem, les spécialistes recouvrent des deux côtés du verre flotté ou du verre plat disponibles dans le commerce avec des matériaux semi-conducteurs. Lorsque le soleil brille, l'un des côtés du module absorbe la lumière à ondes courtes. En même temps, la lumière à ondes longues traverse la couche de verre supérieure et est absorbée sur le côté opposé. Ce faisant, le module libère de l'hydrogène sur le côté inversé ou cathode et de l'oxygène sur le côté supérieur ou anode.
Les scientifiques de Fraunhofer ont étudié et développé, pendant les trois ans qu'a duré le projet, des matériaux semi-conducteurs d'une grande pureté qu'ils ont appliqués à l'aide de procédés de revêtement particulièrement doux. Ils sont ainsi en mesure d'augmenter le rendement en hydrogène du processus.
«Par le biais de la phase gazeuse, nous construisons des couches d'une épaisseur nanométrique sur le verre. Les structures qui en résultent ont une grande influence sur l'activité du réacteur, en plus des propriétés du matériau proprement dit, que nous avons également optimisées», explique Arno Görne, chef de groupe des matériaux fonctionnels pour les microsystèmes hybrides à l'Institut Fraunhofer pour les technologies et systèmes céramiques IKTS. Les éléments photovoltaïques reliés dans le module alimentent le système avec une tension supplémentaire : elle agit comme un turbo qui accélère l'activité et augmente encore le rendement.
Le résultat est un réacteur dont la surface active mesure un demi-mètre carré. Séparé de l'oxygène, il produit de l'hydrogène qui peut être immédiatement capté et quantifié. Actuellement, un seul module produit plus de 30 kilos d'hydrogène par an sur 100 mètres carrés en cas d'ensoleillement européen. Avec un tel rendement, une voiture à hydrogène pourrait par exemple parcourir 15 à 20 000 kilomètres.
«Nous sommes limités dans les dimensions de la cellule tandem par le fait que notre module fend directement l'eau, mais que pour cela, il faut aussi que le courant passe d'un côté à l'autre. Lorsque la surface du module augmente, les résistances croissantes ont un effet défavorable sur le système. Dans l'état actuel des choses, le format actuel s'est avéré optimal. Il est stable, robuste et nettement plus grand que toutes les solutions comparables», souligne Görne. Les éléments compacts peuvent être reliés entre eux selon les besoins, d'un module individuel à de vastes zones, sans effets secondaires négatifs - un avantage décisif de la solution Fraunhofer.
Le projet est également un exemple réussi de collaboration entre instituts et de combinaison de compétences Fraunhofer complémentaires : Dans le cadre du projet qui vient de s'achever, le Fraunhofer IKTS a mené des recherches sur les matériaux et les processus de la couche photoactive. Les collègues de l'Institut Fraunhofer pour les techniques de revêtement et de surface IST ont apporté leur expérience dans le revêtement de grandes surfaces par dépôt physique en phase vapeur. La conception du réacteur, la fabrication avantageuse et fiable, puis l'évaluation des modules ont été confiées aux experts du Centre Fraunhofer pour le silicium photovoltaïque CSP.
Les partenaires du projet ont déjà prouvé, lors de nombreux essais sur le terrain, que le module et l'interconnexion fonctionnent de manière stable et sans problème. Mais les équipes de Fraunhofer, qui ont présenté avec succès leur réacteur pour la première fois en juin au salon Achema 2024 à Francfort, planifient depuis longtemps les prochaines étapes : D'une part, elles ont pour objectif de poursuivre leur collaboration fructueuse au sein de l'institut dans le cadre d'un projet de suivi, et d'autre part, elles prévoient de développer leur solution dans différentes directions en coopération avec des entreprises - pour une production et un approvisionnement en hydrogène décentralisés directs, sûrs et efficaces.
Avec l'abonnement en ligne, lisez le E-paper «AQUA & GAS» sur l'ordinateur, au téléphone et sur la tablette.
Avec l'abonnement en ligne, lisez le E-paper «Wasserspiegel» sur l'ordinateur, au téléphone et sur la tablette.
Kommentare (0)