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/

Highly efficient water splitting by a dual-absorber tandem cell

Nature Photonics(2012)doi:10.1038/nphoton.2012.265

Received

31 May 2012

Accepted

27 September 2012

Published online

11 November 2012

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 IIIV3
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.

At a glance

Author information

Affiliations

  1. Institute of Chemical Sciences and Engineering, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Station 6, 1015-Lausanne, Switzerland

    • Jeremie Brillet,
    • Jun-Ho Yum,
    • Maurin Cornuz,
    • Takashi Hisatomi,
    • Michael Graetzel &
    • Kevin Sivula
  2. Centre for New Technologies and Department of Chemistry, University of Warsaw, 02-093 Warsaw, Poland

    • Renata Solarska &
    • Jan Augustynski

Contributions

J.B., M.G. and K.S. conceived the experiment. K.S. directed the
experimental work and J.B. performed the experiments. J-H.Y. prepared
the DSC. M.C. prepared the haematite photoanodes. R.S. and J.A. prepared
the WO3 photoanodes. T.H. measured the Faradaic efficiency. J.B. and K.S. wrote the manuscript.

Competing financial interests

The authors declare no competing financial interests.

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