Une équipe de l'EPFL a produit de l'hydrogène à partir du soleil, d'eau et de rouille
Cela ouvre la voie non seulement à une solution
économique et écologique pour produire de l'hydrogène mais aussi pour
stocker les énergies renouvelables.
Stocker l'énergie du Soleil avec de l'eau et de la rouille
11.11.12 - Des chercheurs de
l’EPFL produisent de l’hydrogène avec du soleil, de l’eau et… de la
rouille! Ils ouvrent la voie à une solution à la fois économique et
écologique pour stocker les énergies renouvelables.
Comment stocker l’énergie solaire, la rendre disponible à
n’importe quelle heure du jour et, bien sûr, de la nuit? Des chercheurs
de l’EPFL développent une technologie qui transforme la lumière en un
carburant propre et au bilan carbone neutre: de l’hydrogène. La recette a
pour ingrédients de base de l’eau et des oxydes métalliques – par
exemple de l’oxyde de fer, ou plus prosaïquement de la rouille. C’est
volontairement que Kevin Sivula et ses collègues se sont limités à des
matériaux et des techniques de fabrications extrêmement bon marché. Les
scientifiques comptent ainsi ouvrir la voie à un hydrogène solaire
économiquement viable. Ce dispositif, encore expérimental, fait l’objet
d’une publication dans Nature Photonics.L’idée de convertir l’énergie solaire en hydrogène n’est pas nouvelle. Des chercheurs y travaillent depuis plus de quatre décennies. C’est pendant les années 90 que l’EPFL se lance sur ce créneau, avec les travaux de Michael Grätzel. En collaboration avec un collègue de l’Université de Genève, il invente une sorte de cellule solaire connue sous le nom de «cellule photoélectrochimique» (PEC) capable de produire directement de l’hydrogène à partir d’eau. Le prototype tire parti des principes de la cellule solaire à colorant – inventée par le même Michael Grätzel - combinée à un semi-conducteur à base d’oxydes.
Le dispositif est entièrement intégré. Les électrons produits sont directement utilisés pour libérer l’oxygène et l’hydrogène de l’eau. Dans le même bain, deux couches distinctes sont chargées de générer des électrons une fois stimulées par la lumière : un semi-conducteur, capable de libérer l’oxygène, et une cellule à colorant, qui a pour tâche de libérer l’hydrogène.
Le matériau le plus cher: la plaque de verre!
Pour son dernier prototype, l’équipe de Kevin Sivula s’est attelée à résoudre le problème principal de la technologie PEC, à savoir le coût. «Une équipe américaine est parvenue à atteindre un rendement impressionnant de 12,4%, raconte Kevin Sivula. Le système est très intéressant au niveau théorique, mais avec leur méthode, 10 centimètres carrés de surface coûtent quelque 10'000 dollars à produire.»
D’emblée, les chercheurs se sont imposé de n’utiliser que des matériaux et des techniques abordables. Une contrainte de taille. «Le matériau le plus cher de notre dispositif est la plaque de verre!», explique Kevin Sivula. Le rendement est encore faible – entre 1,4 et 3,6%, suivant les divers prototypes testés. Mais le potentiel de la technologie est considérable. «Avec notre concept le meilleur marché, à base d’oxyde de fer, nous pouvons espérer atteindre un rendement de 10% en quelques années, pour un coût ne dépassant pas les 80 dollars au mètre carré. A ce prix, nous serons concurrentiels avec les méthodes traditionnelles d’extraction de l’hydrogène.»
Le semi-conducteur, chargé de libérer l’oxygène, n’est autre que de l’oxyde de fer. «C’est un matériau abondant et stable. Aucune chance qu’il ne rouille encore plus. Mais c’est aussi l’un des pires semi-conducteurs qui soient!» plaisante Kevin Sivula.
De la nano-rouille dopée au silicium
C’est pourquoi l’oxyde de fer utilisé par les chercheurs est un peu plus élaboré que la rouille d’un vieux clou. Nanostructuré, dopé à l’oxyde de silicium, recouvert d’une couche nanométrique d’oxyde d’aluminium et de cobalt… Autant de traitements qui optimisent les propriétés électrochimiques du matériel, mais qui restent simples à appliquer. «Il nous fallait une méthode facile, où l’on puisse simplement tremper le matériau ou le peindre.»
La deuxième partie du dispositif est constituée d’un colorant et de dioxyde de titane – les ingrédients de base de la cellule solaire à colorant. Cette seconde strate permet aux électrons transférés par l’oxyde de fer de gagner assez d’énergie pour extraire l’hydrogène de l’eau.
Un potentiel prometteur – jusqu’à 16%
De 10% dans quelques années, Kevin Sivula estime qu’il pourra au final atteindre un rendement de 16%, tout en gardant la logique low-cost qui fait tout l’intérêt de la démarche. En permettant de stocker l’énergie solaire à moindre coûts, le système développé à l'EPFL pourrait considérablement augmenter le potentiel de cette filière.
CH/ENERGIE/L'EPFL développe une solution low cost pour produire de l'hydrogène
(reprise de dimanche)Lausanne (awp/ats) - Des chercheurs de l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) produisent de l'hydrogène avec du soleil, de l'eau et de la rouille. Ils ouvrent la voie à une solution à la fois économique et écologique pour stocker les énergies renouvelables.
Pour rendre l'énergie solaire disponible en tout temps, l'équipe du chercheur Kevin Sivula développe une technologie qui transforme la lumière en hydrogène, un carburant propre et au bilan carbone neutre. Elle s'est volontairement limitée à des matériaux et techniques de fabrication extrêmement bon marché: de l'eau et de l'oxyde de fer (rouille).
Les scientifiques comptent ainsi ouvrir la voie à un hydrogène solaire économiquement viable, a annoncé l'EPFL dimanche dans un communiqué. Ce dispositif encore expérimental fait l'objet d'une publication dans "Nature Phonics".
PLUS ÉLABORÉE QU'UN VIEUX CLOU
L'idée de convertir l'énergie solaire en hydrogène n'est pas nouvelle. L'EPFL s'est lancée sur le créneau dans les années 90 avec les travaux de Michael Grätzel. Il a inventé avec un collègue une sorte de cellule solaire photoélectrochimique (PEC), capable de produire directement de l'hydrogène à partir d'eau.
Le prototype tire parti de la cellule solaire à colorant inventée par Michael Grätzel. Elle est combinée à un semi-conducteur en oxyde de fer chargé de libérer de l'oxygène. Dopée entre autres au silicium, la nano-rouille utilisée est un peu plus élaborée que celle d'un vieux clou, relève le communiqué.
La deuxième partie du dispositif est constituée d'un colorant et de dioxyde de titane. Cette seconde strate permet aux électrons transférés par l'oxyde de fer de gagner assez d'énergie pour extraire l'hydrogène de l'eau.
RENDEMENT À AMÉLIORER
Pour son dernier prototype, l'équipe de Kevin Sivula s'est attelée à résoudre le problème principal de la technologie PEC: son coût. "Une équipe américaine est parvenue à atteindre un rendement impressionnant de 12,4%", raconte le chercheur. Mais avec leur méthode, dix centimètres carrés de surface coûtent quelque 10'000 dollars à produire.
Le matériau le plus cher utilisé par les scientifiques de l'EPFL est la plaque de verre. Le rendement est encore faible, entre 1,4 et 3,6% selon les prototypes testés. Mais le potentiel est considérable.
CONCURRENTIEL
"Avec notre concept le meilleur marché, à base d'oxyde de fer, nous pouvons espérer atteindre un rendement de 10% en quelques années pour un coût ne dépassant pas les 80 dollars au m2. A ce prix, nous serons concurrentiels avec les méthodes traditionnelles d'extraction de l'hydrogène", note M. Sivula.
Le scientifique estime qu'il pourra au final atteindre un rendement de 16% tout en gardant la logique "low cost" qui fait l'intérêt de la démarche.
ats/rp
(AWP / 12.11.2012 06h24)
ILS PRODUISENT DU CARBURANT PROPRE ET PAS CHER
Des chercheurs de l’EPFL ont mis au point un prototype bon marché qui permet de stocker de l’énergie grâce à la lumière
Les cellules solaires expérimentales, plongées dans l’eau, transforment l’énergie solaire en hydrogène. ALAIN HERZOG/EPFL
Du verre, de la rouille ou de l’oxyde d’un autre métal, de l’eau et une dose de rayonnement solaire. Avec ces composants de base, Kevin Sivula, professeur à l’EPFL, a mis au point une technologie prometteuse pour stocker l’énergie du soleil, en la transformant en hydrogène. Un élément qui peut être utilisé comme carburant ne provoquant pas de rejets polluants.
La recherche de Kevin Sivula, au Laboratoire d’ingénierie moléculaire des nanomatériaux optoélectroniques, s’inspire des trouvailles d’un pionnier des cellules solaires, le professeur Michaël Grätzel, lui aussi à l’EPFL. Celui-ci avait inventé, il y a une vingtaine d’années, des cellules dites à colorant, moins coûteuses que les traditionnelles galettes en silicium, produisant de l’électricité à partir d’un ensoleillement même peu intense, et selon un processus proche de celui qui est à l’œuvre chez les plantes.
Les nouveaux résultats, publiés par Kevin Sivula dans la prestigieuse revue scientifique anglo-saxonne Nature Photonics, laissent augurer des applications industrielles à large échelle, grâce à des coûts très bas de fabrication de l’hydrogène.
«Sur le même principe de départ que le nôtre, une équipe américaine est parvenue à atteindre un rendement impressionnant de 12,4%, raconte Kevin Sivula. Mais, avec leur méthode, 10 centimètres carrés de surface coûtent quelque 10 000 dollars à produire. Chez nous, le rendement est encore faible, entre 1,4 et 3,6%, mais le potentiel est considérable et pourrait rapidement atteindre 10%, pour un coût ne dépassant pas les 80 dollars le mètre carré. Le matériau le plus cher de notre dispositif est la plaque de verre!»
Le scientifique ajoute que le stockage de l’énergie solaire est un défi important pour le futur proche. «Les cellules solaires la transforment d’ordinaire en courant électrique, qui est directement injecté dans le réseau, détaille-t-il. Si l’on veut la stocker, il faut construire des accumulateurs. Avec notre système, on se passe de ces intermédiaires.»
La méthode mise au point à l’EPFL va ouvrir de nouvelles pistes pour l’utilisation d’énergies renouvelables. L’eau est en effet bien plus facilement entreposable que l’électricité. Et l’hydrogène obtenu après transformation peut ensuite être utilisé dans une pile à combustible, comme carburant pour un véhicule. On peut aussi s’en servir pour produire du méthanol, un autre carburant. Dans les deux cas, ces molécules sont compatibles avec des réseaux existants de distribution de carburants fossiles, les stations-service.
J.DU. http://www.24heures.ch/
Photoelectrochemical water-splitting devices, which use solar energy to convert water into hydrogen and oxygen, have been investigated for decades. Multijunction designs are most efficient, as they can absorb enough solar energy and provide sufficient free energy for water cleavage. However, a balance exists between device complexity, cost and efficiency. Water splitters fabricated using triple-junction amorphous silicon1, 2 or III–V3 semiconductors have demonstrated reasonable efficiencies, but at high cost and high device complexity. Simpler approaches using oxide-based semiconductors in a dual-absorber tandem approach4, 5 have reported solar-to-hydrogen (STH) conversion efficiencies only up to 0.3% (ref. 4). Here, we present a device based on an oxide photoanode and a dye-sensitized solar cell, which performs unassisted water splitting with an efficiency of up to 3.1% STH. The design relies on carefully selected redox mediators for the dye-sensitized solar cell6, 7 and surface passivation techniques8 and catalysts9 for the oxide-based photoanodes.
Des chercheurs de l’EPFL ont mis au point un prototype bon marché qui permet de stocker de l’énergie grâce à la lumière
Les cellules solaires expérimentales, plongées dans l’eau, transforment l’énergie solaire en hydrogène. ALAIN HERZOG/EPFL
Du verre, de la rouille ou de l’oxyde d’un autre métal, de l’eau et une dose de rayonnement solaire. Avec ces composants de base, Kevin Sivula, professeur à l’EPFL, a mis au point une technologie prometteuse pour stocker l’énergie du soleil, en la transformant en hydrogène. Un élément qui peut être utilisé comme carburant ne provoquant pas de rejets polluants.
La recherche de Kevin Sivula, au Laboratoire d’ingénierie moléculaire des nanomatériaux optoélectroniques, s’inspire des trouvailles d’un pionnier des cellules solaires, le professeur Michaël Grätzel, lui aussi à l’EPFL. Celui-ci avait inventé, il y a une vingtaine d’années, des cellules dites à colorant, moins coûteuses que les traditionnelles galettes en silicium, produisant de l’électricité à partir d’un ensoleillement même peu intense, et selon un processus proche de celui qui est à l’œuvre chez les plantes.
Les nouveaux résultats, publiés par Kevin Sivula dans la prestigieuse revue scientifique anglo-saxonne Nature Photonics, laissent augurer des applications industrielles à large échelle, grâce à des coûts très bas de fabrication de l’hydrogène.
«Sur le même principe de départ que le nôtre, une équipe américaine est parvenue à atteindre un rendement impressionnant de 12,4%, raconte Kevin Sivula. Mais, avec leur méthode, 10 centimètres carrés de surface coûtent quelque 10 000 dollars à produire. Chez nous, le rendement est encore faible, entre 1,4 et 3,6%, mais le potentiel est considérable et pourrait rapidement atteindre 10%, pour un coût ne dépassant pas les 80 dollars le mètre carré. Le matériau le plus cher de notre dispositif est la plaque de verre!»
Le scientifique ajoute que le stockage de l’énergie solaire est un défi important pour le futur proche. «Les cellules solaires la transforment d’ordinaire en courant électrique, qui est directement injecté dans le réseau, détaille-t-il. Si l’on veut la stocker, il faut construire des accumulateurs. Avec notre système, on se passe de ces intermédiaires.»
La méthode mise au point à l’EPFL va ouvrir de nouvelles pistes pour l’utilisation d’énergies renouvelables. L’eau est en effet bien plus facilement entreposable que l’électricité. Et l’hydrogène obtenu après transformation peut ensuite être utilisé dans une pile à combustible, comme carburant pour un véhicule. On peut aussi s’en servir pour produire du méthanol, un autre carburant. Dans les deux cas, ces molécules sont compatibles avec des réseaux existants de distribution de carburants fossiles, les stations-service.
J.DU. http://www.24heures.ch/
Highly efficient water splitting by a dual-absorber tandem cell
- Nature Photonics
- (2012)
- doi:10.1038/nphoton.2012.265
- Received
- Accepted
- Published online
Abstract
Photoelectrochemical water-splitting devices, which use solar energy to convert water into hydrogen and oxygen, have been investigated for decades. Multijunction designs are most efficient, as they can absorb enough solar energy and provide sufficient free energy for water cleavage. However, a balance exists between device complexity, cost and efficiency. Water splitters fabricated using triple-junction amorphous silicon1, 2 or III–V3 semiconductors have demonstrated reasonable efficiencies, but at high cost and high device complexity. Simpler approaches using oxide-based semiconductors in a dual-absorber tandem approach4, 5 have reported solar-to-hydrogen (STH) conversion efficiencies only up to 0.3% (ref. 4). Here, we present a device based on an oxide photoanode and a dye-sensitized solar cell, which performs unassisted water splitting with an efficiency of up to 3.1% STH. The design relies on carefully selected redox mediators for the dye-sensitized solar cell6, 7 and surface passivation techniques8 and catalysts9 for the oxide-based photoanodes.
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