L'élaboration d'un système de production efficace et rentable d'hydrogène efficace en utilisant la lumière du soleil et de l'eau
Nouvelle publication des chercheurs de L’EPFL (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne), du CSEM (Swiss Center for Electronics and Microtechnology de Neuchâtel), et de Michelin Recherche et Technique SA, Conception et Développement Michelin, Givisiez:
La combinaison de composants ayant déjà fait leurs preuves dans l’industrie a permis de fabriquer un système robuste et efficace, qui a fait l’objet d’une publication dans le Journal of The Electrochemical Society.
Le dispositif dépasse les efforts précédents en termes de stabilité, performances et limitation des coûts.
Le prototype se compose de trois cellules solaires en silicium cristallin de nouvelle génération, connectées entre elles et reliées à un système d'électrolyse sans matériaux rares.
Il atteint un taux de conversion de l'énergie solaire en hydrogène de 14,2%, et a déjà pu fonctionner pendant plus de 100 heures dans sa version-test.
Description du projet SHINE:
Ce projet vise à développer un système de production d'hydrogène en utilisant la lumière du soleil d'une manière intégrée avec la terre des matériaux abondants imitant la photosynthèse naturelle.
Les systèmes Photoélectrochimique (PEC) utilisent des matériaux semi-conducteurs pour absorber les photons du soleil pour générer suffisamment de potentiel élevé (> 1,2 V) pour séparer l' eau et produire de l' hydrogène et de l' oxygène à une cellule d'électrolyse intégrée.
Un avantage majeur des systèmes PEC sur des systèmes composés de panneaux photovoltaïques (PV) en conjonction à un électrolyseur séparé est leur approche intégrée, à savoir la cellule photovoltaïque fait partie de l'électrolyseur. Cela offre des possibilités non seulement pour réduire les coûts , mais aussi pour l'amélioration de l'efficacité de la réaction électrochimique. Il existe actuellement des sites de production pilote à petite échelle où l' hydrogène est produit avec l' énergie solaire en Suisse. Par exemple, le centre de recherche Michelin près de Fribourg a 55 m2 de panneaux photovoltaïques avec 15% d' efficacité. L'électricité produite par les panneaux solaires alimente un électrolyseur d'hydroxyde de potassium en cours d' exécution à 75% d' efficacité, production d'hydrogène gazeux comprimé à une pression de 30 bars. Le rendement solaire à combustible d'une telle installation pilote est donc de 11,2%.
L'usine produit 1,56 kg de H2 gaz par jour au cours de l'été, ce qui représente 52 kWh d'énergie. Ceci est une grande densité d'énergie, plus de 20 fois supérieure à celle des meilleures batteries au lithium - ion lorsque représentant la masse du récipient composite d'hydrogène sous pression.
En 2010, un programme de la photosynthèse artificielle financé par le Département américain de l' énergie a reçu 122 millions $ pour 5 ans , dont la mission est de développer des générateurs solaires manufacturables de carburant avec laterre des éléments abondants donnant soleil pour des économies de carburant de plus de 10% (dix fois la consommation de carburant des cultures naturelles).
En Suisse, Michelin depuis 2001 et Belenos depuis 2008 ont fait équipe avec PSI pour développer des piles à combustible et de la production de gaz d'hydrogène avec de l' énergie photovoltaïque.
D' autres programmes de recherche sont en cours dans l'UE, comme SPP de la Fondation allemande pour la recherche 1613 (2011).
Il ne fait aucun doute qu'il y a des questions non résolues graves présentent des composants de l'état de l'art PEC concernant leur efficacité, le coût et la durabilité .
Beaucoup d'efforts de recherche ont été consacrés au développement de composants d'un système PEC (par exemple NanoPEC programme européen http://nanopec.epfl.ch/), mais relativement peu d'attention a été accordée aux aspects de conception technique d'un système PEC complet .Néanmoins, l'aspect de la conception du système est crucial car les combinaisons de matériaux qui offrent des performances optimales dépendent de manière significative sur l'architecture du réacteur lui - même. De même, les conditions opérationnelles définissent des combinaisons de matériaux utilisables. Nous pensons que tirer parti du savoir faire photovoltaïque de silicium existant en Suisse et en se concentrant sur l'approche d'ingénierie d'un système de fabrication de l'hydrogène par l' intermédiaire de PEC fournira les outils nécessaires pour devenir un acteur important dans une économie de carburant renouvelable basée. Plus précisément, nous proposons l'approche de l' ingénierie d'un système pour réaliser un système PEC avec:
- Photoharvesting électrodes à base de cellules de silicium amorphe et cristallin développées dans le groupe du Prof. Ballif au CSEM, qui développe des procédés stables, orientés vers l'industrie.
- PEC conception de la cellule inspirée par la technologie des piles à combustible.
- Opération sous la lumière du soleil concentrée.
En raison de la concentration de la lumière solaire (> 10x), les cellules photovoltaïques sont des réacteurs plus petits, plus efficaces et moins coûteux étant donné que moins de matériau de silicium à semi-conducteurs est utilisé. Le Centre de recherche Michelin apporte une expérience pratique considérable dans la pile à combustible et de l' électrolyse dans ce projet.
Le système proposé fera usage de la teneur en énergie totale du spectre solaire en utilisant la partie visible du spectre (400-1000 nm) pour éclairer la cellule photovoltaïque et le reste du spectre à l' auto-aligner le concentrateur et la chaleur de l' eau pour créer de la vapeur d'eau près de latempérature ambiante pendant la charge de la cellule de PEC. Il est prévu que les résultats de ce projet fourniront les outils de conception et les blocs technologiques pour produire des systèmes efficaces et rentables soleil-carburant.
Vidéo (en anglais) du projet SHINE (3 minutes)
Les chercheurs impliqués:
Christophe Moser, EPFL
Julien Bailat, CSEM
Artur Braun, EMPA
Sophia Haussener, EPFL
Demetri Psaltis, EPFL
Contacts chercheurs :
EPFL Miguel Modestino (anglais) miguel.modestino@epfl.ch +41 21 693 73 18
CSEM Jan-Willem Schüttauf (anglais / français) Jan-Willem.SCHUeTTAUF@csem.ch +41 32 720 57 72
Contact média :
Laure-Anne Pessina laure-anne.pessina@epfl.ch +41 79 360 25 38
Contacts projet SHINE:
Chef de projet:
Coordinateur de projet:
Adresse postale:
EPFL STI IMT LAPD BM 4124 (BM Bâtiment) Station 17 CH-1015 Lausanne Tél: +41 21 69 37318
Publications
publications notables:
Auto-suivi concentrateur solaire avec un angle d'acceptation de 32 °
V. Zagolla; D. Dominé; E. Tremblay; C. Moser Opt. Exprimez - 22, A1880-A1894 (2014) solaire de décomposition de l' eau photoélectrochimique avec bio-conjugué et bio - électrodes hybrides D. K. Bora, A. Braun et K. Gajda-Schrantz Springer livre. De Molécules à MaterialsPathway à Photosynthèse artificielle 2014 électrolyseur Membrane-moins pour la production d'hydrogène pur à travers toute la gamme de pH S.MH Hashemi, MA Modestino, D. Psaltis.Énergie et sciences de l' environnement, 2015, ASAP conception et de coût de pratique générateur solaire-hydrogène C. A. Rodriguez, MA Modestino, D. Psaltis, C. Moser énergie et sciences de l' environnement, 2014. 7 (12), 3828 à 3835
Affiches à partir de 2016
- Auto-Tracking Concentration solaire Enrico Chinello, Volker Zagolla, Didier Domine, Eric Tremblay, Christophe Moser
- Vers Electrolysis sans membrane Mohammad H. Hashemi, Miguel A. Modestino, Demetri Psaltis
- Silicon repose-cellules solaires pour la conversion de l' énergie solaire à l'hydrogène hautement efficace Jan -Willem Schüttauf, Didier Domine, Antonin Faes, Jonathan Champliaud, Matthieu Despeisse, Christophe Ballif, Julien Bailat
- ingénierie solaire-H2 Devices
- Électrocatalyseurs pour la production d'hydrogène D. Bora, F. Boudoire, A. Braun, CE Constable, G. Fortunato, M. Grätzel, CE Housecroft, Y. Hu, M. Mayer, NS Murray, R. Toth, RM Walliser
- Photosynthèse artificielle - Enquête de la Bio-inorganique Interface Niels Burzan, Artur Braun
Affiches à partir de 2015
- Électronique Origine structurale de l' efficacité de mise en valeur du Sous - couche en hématite photoanode Yelin Hu, Florent Boudoire, Matthew Mayer, Michael Grätzel, Artur Braun
- électrocatalyseurs pour la réaction d'oxydation de l' eau Niamh S. Murray, Rita Toth, Debajeet K. Bora, Artur Braun, Catherine E. Housecroft, Edwin C. Constable
- Self-Tracking Concentration solaire Volker Zagolla, Didier Domine, Eric Tremblay, Christophe Moser
- Guiding voies pratiques pour la production solaire-hydrogène photo-électrochimique Mikael Dumortier, Sophia Haussener
- dispositifs à base de silicium pour la production d'hydrogène Didier Domine, Linus Löfgren, Paul Kohler, Jacques Levrat, Loris Barraud, Nicolas Badel, Jonathan Champliaud, Christophe Allebe, Matthieu Despeisse, Julien Bailat
- microfluidique eau Fractionnement PlatformsMohammad H. Hashemi, Miguel A. Modestino,? Demetri Psaltis
Affiches à partir de 2014
- Photovoltaics pour la production d'hydrogène Didier Domine, Linus Löfgren, Jun-Ho Yum, Paul Kohler, Mustapha Benkhaira, Laurent Sansonnens, Sylvain Nicolay et Julien Bailat
- Corrélation de lastructure de surface et l' eau Oxydation Photocourant en oxyde de fer oxygène plasma marcher photoanodes Yelin Hu, Florent Boudoire , Iris Hermann-Geppert, Peter Bogdanoff, George Tsekouras, Bongjin Simon Mun, Giuseppino Fortunato, Michael Graetzel, Artur Braun
- auto-tracking concentration solaire Volker Zagolla, Eric Tremblay, Christophe Moser
- Couplé multi-physique Modélisation des photoélectrochimiques intégré des dispositifs de traitement de l'hydrogène en utilisant concentré irradiation Saurabh Tembhurne, Mikael Dumortier, Sophia Haussener
- électrocatalytique génération d'hydrogène Debajeet Bora, Florent Boudoire, Yelin Hu, Artur Braun
- aspects d' intégration de générateurs solaires-carburant Claudia Rodriguez, Miguel Modestino, Demetri Psaltis et Chirstophe Moser
- auto-tracking concentration solaire Volker Zagolla, Eric Tremblay, Christophe Moser
Affiches à partir de 2013
- Sun Carburant Christophe Moser, Demetri Psaltis, Sophia Haussener, Artur Braun, Julien Bailat
Sources:
1) Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (Suisse) : http://energycenter.epfl.ch/production_stockage_hydrogene
Le développement d'une économie d'énergie durable, fondée sur l'énergie renouvelable neutre en carbone est une tâche nécessaire et urgente. L'hydrogène (H2) est un des principaux candidats pour le stockage et le transport d'énergie à condition qu'il puisse être produit efficacement à partir de sources d'énergie renouvelables et efficacement stocké de manière sûre et concentrée. Atteindre ces objectifs de percées dans l'hydrogène nécessite à la fois les aspects de production et de stockage, autant pour les petites à moyennes "énergie personnalisée" que pour des applications distribuées à grande échelle. Ainsi, toute solution réaliste et pratique pour développer une économie énergétique durable doit être gérée de manière différente tant en conversion d'énergie, en stockage qu'en transport sur toutes les échelles.
Les projets suivants développés en partenariat avec l'Energy Center se focalisent sur les thématiques suivantes:
- HyTech - Le projet HyTech est axé sur la réalisation de l'avancement des technologies et des percées novatrices dans la production d'hydrogène solaire et de stockage de l'hydrogène.
- PECHouse2 - Le projet a comme ambition de développer des matériaux et des technologies pour la production d’hydrogène, avec des objectifs ambitieux, tant du point de vue du rendement des procédés, que de celui de la stabilité physico-chimique des matériaux, ou du prix de production de l'hydrogène.
- NanoPEC - Ce projet cherche à étudier la production d'hydrogène solaire entraînée par dissociation de l'eau photo-électrochimique, en utilisant de nouveaux concepts et méthodes offerts par les nanotechnologies, pour concevoir des nanostructures composites innovants dans lesquelles chaque composant a des fonctions spécialisées.
- Swiss Vanadium Redox Flow Battery - L'objectif de ce projet est d'adapter une batterie commerciale à flux réduit de 10 kW avec des circuits secondaires qui assurera ensuite l'exploitation et l'optimisation de production d'hydrogène ainsi que le stockage d'énergie électrochimique.
2) Nano-Tera http://www.nano-tera.ch/projects/367.php#poster
L'initiative Nano-Tera.CH (NTCH) vise à amener la Suisse à l'avant-garde d'une nouvelle technologie révolution technologique de l'ingénierie de conduite et de l'information pour la santé et la sécurité des êtres humains et l'environnement au 21e siècle.
Les objectifs sont, par exemple, pour détecter en temps réel les risques et les conditions de santé différents à travers bio corps intégré de sondage, de révéler les risques de sécurité par le biais de bâtiments intelligents et les environnements, pour économiser l'énergie grâce à la détection ambiante, et pour détecter et surveiller les risques environnementaux tels que les inondations et les avalanches de positions inaccessibles sur la terre.
La stratégie proposée comprend la convergence des deux avancées R & D sur / nano composants électriques / mécaniques micro et sur les systèmes tera-échelle, qui intègrent et réseaux différents (nano) éléments pour obtenir à la fois la transformation locale et globale de très grande quantité (tera) des données.
4) Communiqué de presse: "Une solution performante et à bas coût pour stocker l’énergie solaire", Communiqué de presse de l’EPFL, 25/08/2016
