Centrales électriques compactes pour l'hydrogène vert

Module individuel d'un réacteur PEC tandem autonome. © Fraunhofer IKTS / Module individuel d'un réacteur PEC tandem autonome. © Fraunhofer IKTS

L'hydrogène produit par la puissance du soleil pourrait à l'avenir remplacer largement les combustibles fossiles et contribuer à la réduction des émissions de CO2. Dans le cadre du projet collaboratif Neo-PEC, des experts du Fraunhofer ont développé un module tandem qui produit de manière autonome et sûre de l'hydrogène vert, solaire.

Pour la transformation respectueuse du climat des processus industriels, l'hydrogène est une approche centrale. Un vecteur énergétique qui brûle sans libérer de CO2 devrait idéalement également être produit sans empreinte carbone. Une méthode classique pour cela est l'électrolyse, qui décompose l'eau en hydrogène et en oxygène à l'aide d'électricité. Si cette électricité provient de sources renouvelables telles que 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, ces dispositifs coûteux et nécessitant beaucoup d'entretien sont rares, surtout dans le contexte actuel mondial et climatique.

Production solaire d'hydrogène

Une alternative passionnante est la scission directe de l'eau par énergie solaire, en anglais « photoelectrochemical cell » (PEC). Dans le cadre du projet Neo-PEC, des chercheurs de trois instituts Fraunhofer ont développé une solution modulaire qui permet une production et une alimentation en hydrogène très flexibles grâce à l'énergie solaire.

Le cœur du développement du Fraunhofer est un module PEC tandem. Il ressemble à son équivalent photovoltaïque classique – avec une différence essentielle : l'électricité n'est pas produite pour être utilisée ultérieurement dans un électrolyseur séparé. L'ensemble du processus se déroule dans une seule unité. Cependant, il faut faire attention : comme dans le processus, de l'hydrogène et de l'oxygène se forment, la conception doit garantir que ces deux éléments soient produits et restent strictement séparés.

Pour la cellule tandem, les experts recouvrent un verre flottant ou plat commercial sur les deux faces avec des matériaux semi-conducteurs. Lorsqu'il est exposé au soleil, un côté du module absorbe la lumière à courte longueur d'onde. En même temps, la lumière à longue longueur d'onde traverse la couche de verre supérieure et est absorbée de l'autre côté. Le module libère alors de l'hydrogène du côté inverse ou cathodique, et de l'oxygène du côté supérieur, l'anode.

Les chercheurs du Fraunhofer ont étudié et développé, durant les trois années du projet, des matériaux semi-conducteurs de très haute pureté, appliqués par des procédés de revêtement particulièrement doux. Cela leur permet d'augmenter la production d'hydrogène du processus.

« Nous construisons des couches nanométriques sur le verre via la phase gazeuse. Les structures ainsi formées ont une grande influence sur l'activité du réacteur, en plus des propriétés intrinsèques du matériau que nous avons également optimisées », explique le Dr Arno Gönne, chef de groupe pour les matériaux fonctionnels pour les microsystèmes hybrides à l'Institut Fraunhofer pour les technologies et systèmes en céramique IKTS. Les éléments photovoltaïques intégrés dans le module alimentent le système avec une tension supplémentaire : ils agissent comme un turbo, accélérant l'activité et augmentant encore le rendement.

Quadratique, pratique – sécurisé

Au final, le réacteur présente une surface active d'environ un mètre carré. Il produit l'hydrogène séparément de l'oxygène, ce dernier étant immédiatement recueilli et quantifié. Actuellement, un seul module fournit une performance de plus de 30 kilogrammes d'hydrogène par an pour 100 mètres carrés sous le soleil européen. Avec cette production, une voiture à hydrogène pourrait parcourir entre 15 000 et 20 000 kilomètres.

« La taille de la cellule tandem est limitée par le fait que notre module divise l'eau directement, mais doit aussi faire passer le courant d'un côté à l'autre. À mesure que la surface du module augmente, la résistance croissante affecte négativement le système. À l'heure actuelle, ce format s'est avéré optimal. Il est stable, robuste et nettement plus grand que toutes les solutions comparables », souligne Gönne. Les éléments compacts peuvent être connectés sans effets secondaires négatifs selon les besoins, d'un seul module à de vastes zones – un avantage majeur de la solution Fraunhofer.

Relier les compétences

Le projet est également un exemple réussi de collaboration interinstituts et de combinaison de compétences complémentaires du Fraunhofer : dans le cadre de ce projet finalisé, l'IKTS a recherché des matériaux et des procédés pour la couche photoactive. Les collègues de l'Institut Fraunhofer pour la technique des couches et des surfaces IST ont apporté leur expérience dans le revêtement de surface par dépôt physique en phase gazeuse. La conception du réacteur, la fabrication économique et fiable, ainsi que l'évaluation ultérieure des modules ont été assurées par des experts du Centre Fraunhofer pour la photovoltaïque au silicium CSP.

Les partenaires du projet ont déjà prouvé que le module et la connexion en série fonctionnent de manière stable et fluide lors de nombreux essais sur le terrain. Mais les équipes Fraunhofer, qui ont présenté leur réacteur pour la première fois avec succès en juin lors du salon Achema 2024 à Francfort, planifient déjà les prochaines étapes : d'une part, continuer leur collaboration institutionnelle dans un projet suivant, et d'autre part, développer leur solution en partenariat avec des entreprises dans différentes directions – pour une production et une alimentation décentralisées, directes, sûres et efficaces en hydrogène.