Hydrogène solaire : de l’électrolyse à la photoélectrochimie

Et si vos panneaux solaires pouvaient produire de l’hydrogène vert pour chauffer votre maison, alimenter vos appareils, et recharger votre voiture ? Ce qui peut sembler utopiste aujourd’hui est sur le point de devenir une réalité. Dans un futur proche, cette technologie pourrait transformer votre quotidien, vous fournissant une énergie 100 % propre et durable. KparK Énergies vous invite à explorer les dernières avancées en matière de cellules photoélectrochimiques, ainsi que d’autres innovations pour des applications à plus grande échelle. 
 

Hydrogène vert solaire : une solution prometteuse

L’hydrogène vert est promis à un bel avenir ! Combiné à vos panneaux photovoltaïques, et à une bonne dose d’ingéniosité, elle ouvre de nouvelles perspectives très intéressantes.

Pourquoi opter pour une solution combinant solaire et hydrogène ?

Produire de l’hydrogène vert à partir de vos panneaux solaires présente de nombreux avantages, que ce soit sur le plan énergétique, économique, écologique ou pratique. En effet, cette association vous permet de :

1. Stocker votre excédent d’électricité photovoltaïque. Lors des journées ensoleillées, votre production d’énergie dépasse souvent vos besoins réels. Plutôt que de réinjecter ce surplus dans le réseau, vous pouvez le convertir en hydrogène gazeux, le stocker, puis l’utiliser ultérieurement, optimisant ainsi votre autoconsommation.
2. Générer de la chaleur et de l’électricité. L’hydrogène stocké peut être reconverti en électricité à l’aide d’une pile à combustible, ou être utilisé en l’état pour fournir du chauffage et de l’eau chaude pour votre logement. Grâce à son pouvoir calorifique élevé, il délivre jusqu’à 3 fois plus d’énergie que les systèmes traditionnels à fioul ou à gaz. (1)
3. Produire du carburant propre. L’hydrogène peut également alimenter un véhicule à pile à combustible. En ne rejetant que de l’eau dans l’atmosphère, il contribue ainsi à une mobilité plus respectueuse de l’environnement.

Mais…

94 % de la production d’hydrogène en France provient de la combustion des énergies fossiles, telles que le gaz naturel, le charbon et les hydrocarbures. ⁽¹⁾ De ce fait, elle est responsable d’environ 3 % des émissions de CO2 à l’échelle nationale. Par ailleurs, moins de 1 % de l’hydrogène mondial est issu de sources renouvelables, ⁽²⁾ ce qui montre l’ampleur des efforts à déployer pour développer un hydrogène véritablement vert.

Intérêts et limites des méthodes classiques d’électrolyse

L’électrolyse alimentée par des énergies renouvelables, comme le solaire, l’éolien ou l’hydraulique, est l’une des méthodes les plus utilisées pour produire de l’hydrogène vert. Dans le cas de l’hydrogène solaire, l’électrolyseur exploite directement l’électricité excédentaire générée par vos panneaux photovoltaïques.

En pratique, l’électrolyse consiste à faire circuler un courant électrique entre 2 électrodes (anode et cathode) plongées dans une solution conductrice comportant de l’eau pure avec un électrolyte. Ce processus décompose les molécules d’eau (H₂O) en 2 atomes d’hydrogène gazeux (H₂) et un atome d’oxygène (O₂).

Toutefois, cette technique présente des inconvénients pour un usage résidentiel :

• Coût. L’installation d’un électrolyseur et du réservoir de stockage à haute pression représente un investissement important ;
• Encombrement. Les équipements nécessaires prennent beaucoup de place, ce qui peut être contraignant à l’échelle d’un logement ;
• Sensibilité à l’intermittence. Dépendante des sources d’énergie renouvelables, la production est vulnérable aux variations climatiques, nécessitant des systèmes de stockage ou de secours pour compenser les interruptions ;
• Rendement énergétique. Des pertes d’énergie surviennent lors de la conversion de l’électricité en hydrogène, puis à nouveau lors de la reconversion de l’hydrogène en électricité ;
• Complexité de mise en œuvre. Les compétences techniques requises sont spécifiques, et peu de professionnels sont formés à cette technologie. 

Les récentes avancées autour des cellules photoélectrochimiques

Les cellules photoélectrochimiques (PEC) pourraient bien révolutionner la production d’hydrogène renouvelable à partir de vos panneaux solaires. Cette solution, certes récente mais en plein essor, promet de transformer votre façon de consommer l’énergie. Avec des avancées comme la photo-électrolyse directe, le biomimétisme, et les cellules tandem, ces innovations rendent l’hydrogène vert plus accessible pour votre logement, sans recourir à un électrolyseur.

Photo-électrolyse : capter le soleil, produire de l’hydrogène solaire

La photo-électrolyse génère de l’hydrogène vert en utilisant directement la lumière du soleil, sans conversion préalable en électricité, à la différence de l’électrolyse classique. Cette technologie utilise un catalyseur semi-conducteur qui, une fois éclairé, déclenche une réaction chimique. Le catalyseur est immergé dans un électrolyte qui facilite la séparation de l’eau en dihydrogène (H₂) et en oxygène (O₂).

Ce système simplifie la production d’hydrogène en éliminant les étapes de conversion intermédiaires, ce qui réduit l’espace nécessaire et potentiellement les coûts d’installation, tout en augmentant son efficacité énergétique.

Projet eSCALED : un exemple de biomimétisme

De tout temps, les chercheurs se sont inspirés de la nature pour concevoir des solutions novatrices et durables. Cette approche, appelée « biomimétisme », imite certains mécanismes biologiques afin de relever les défis technologiques actuels, notamment dans le domaine de l’énergie ou de l’architecture organique.

Le projet eSCALED illustre parfaitement le biomimétisme appliqué aux énergies renouvelables. Plutôt que de suivre le principe de la photo-électrolyse classique, il reproduit le processus de la photosynthèse. Ses cellules photoélectrochimiques (PEC) sont conçues pour fonctionner à la manière des chloroplastes, ces organites végétaux qui convertissent la lumière en énergie chimique.

L’objectif d’eSCALED est de déployer cette technologie à grande échelle en favorisant l’autoconsommation d’énergie propre. Ce projet vise ainsi à minimiser l’impact environnemental tout en rendant l’hydrogène vert plus accessible et économique.

La photoélectrochimie selon l’institut Fraunhofer

Le projet Neo-PEC, développé par l’Institut Fraunhofer, explore de nouvelles façons de produire de l’hydrogène vert en utilisant un réacteur tandem innovant. Les cellules, composées de 2 couches de semi-conducteurs superposées, sont chacune optimisées pour capter différentes longueurs d’onde du spectre solaire. Ainsi, elles absorbent une plus grande quantité de lumière, maximisant leur rendement énergétique.

Ce concept modulaire offre une grande flexibilité qui le rend adapté aussi bien aux petites installations domestiques qu’aux structures industrielles plus imposantes, tout en demeurant compact.

Du nouveau pour la production collective d’hydrogène vert

En utilisant la thermochimie solaire ou des matériaux photo-thermo-catalytiques, il est désormais possible de concevoir des installations répondant aux besoins collectifs et industriels. Ces innovations permettent une production massive d’hydrogène vert, à des coûts très compétitifs.

Thermochimie solaire : l’innovation du MIT décryptée

La thermochimie solaire, développée par le MIT (Massachusetts Institute of Technology), adopte une solution radicalement différente pour produire de l’hydrogène vert. Plutôt que d’utiliser les photons de la lumière solaire, cette technique exploite la chaleur du soleil. À l’aide de miroirs paraboliques ou de lentilles, les rayons du soleil sont concentrés en un point précis, atteignant des températures extrêmement élevées, souvent au-delà de 1 000 °C. Ces conditions thermiques permettent de décomposer l’eau en hydrogène et oxygène par réactions chimiques.

L’objectif du MIT est de ramener le coût de production de l’hydrogène vert à environ 1 dollar par kilogramme, contre entre 4,5 et 6,5 aujourd’hui. Ce système s’adresse surtout aux grandes stations d’hydrogène, de type ferme solaire thermodynamique, qui disposent des infrastructures nécessaires pour gérer ces températures extrêmes.

Hysun : les matériaux photo-thermo-catalytiques

Le projet Hysun utilise des matériaux photo-thermo-catalytiques qui exploitent à la fois la lumière et la chaleur solaire pour produire de l’hydrogène vert. Le procédé repose sur des concentrateurs solaires qui focalisent les rayons du soleil pour élever fortement la température. À hautes températures, les catalyseurs se déclenchent, permettant ainsi la thermolyse de l’eau, et donc la décomposition des molécules d’eau, sans utiliser d’électricité.

Cette solution atteint une performance exceptionnelle, avec un rendement de conversion solaire en hydrogène (STH) dépassant les 56 %.

En somme, ces nouvelles technologies de production d’hydrogène vert, encore en phase de développement, pourraient enfin lever les freins qui limitent actuellement son déploiement à grande échelle. Elles permettraient non seulement de réduire les coûts, mais aussi d’améliorer l’efficacité énergétique et la facilité de stockage de l’énergie. L’avenir de l’hydrogène vert serait-il en train de se dessiner ?

^{(1) Source : ministère de la Transition écologique.}

^{(2) Source : Agence internationale de l’énergie (AIE).}