Stocker l’énergie du Soleil avec de l’eau et de la rouille

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)