Centrales compactes de production d’hydrogène vert
Les spécialistes du Fraunhofer ont mis au point un module tandem autonome et fiable pour produire directement de l’hydrogène vert à partir de l’énergie solaire.
Dans le cadre du projet de recherche commun Neo-PEC, des chercheurs de trois instituts Fraunhofer se sont réunis pour mettre au point une solution modulaire qui permet de produire et de fournir de l’hydrogène avec une grande souplesse grâce à l’énergie solaire.
La pièce maîtresse de ce développement Fraunhofer est un module PEC en tandem. Il est similaire à son homologue photovoltaïque traditionnel, mais avec une différence cruciale : L’électricité n’est pas produite à des fins d’électrolyse ultérieure ailleurs. L’ensemble du processus se déroule dans une seule et même unité. La prudence est de mise tout au long du processus : Le processus produisant de l’hydrogène et de l’oxygène, la structure doit être conçue de manière à maintenir une séparation stricte entre les deux éléments pendant la production et au-delà.
Pour produire la cellule tandem, les experts recouvrent de matériaux semi-conducteurs les deux faces du verre flotté ou plat standard disponible dans le commerce. Lorsque la lumière du soleil frappe le verre, un côté du module absorbe la lumière de courte longueur d’onde. Dans le même temps, la lumière de grande longueur d’onde traverse la couche supérieure du verre et est absorbée au verso. Le module libère de l’hydrogène sur la face arrière ou cathode et de l’oxygène sur la face supérieure, c’est-à-dire l’anode.
Au cours des trois années qu’a duré le projet, les scientifiques du Fraunhofer ont étudié et développé des matériaux semi-conducteurs de haute pureté, qu’ils appliquent à l’aide de méthodes de revêtement ultra-douces. Cela leur permet d’augmenter le rendement en hydrogène de la méthode.
« Nous utilisons la phase vapeur pour former des couches de quelques nanomètres d’épaisseur sur le verre. Les structures créées au cours du processus ont un impact considérable sur l’activité du réacteur, en plus des propriétés réelles du matériau, que nous avons également optimisées », explique Arno Görne, chef de groupe des matériaux fonctionnels pour les microsystèmes hybrides à l’Institut Fraunhofer pour les technologies et les systèmes céramiques IKTS. Les éléments photovoltaïques reliés dans le module fournissent au système une tension supplémentaire – un turbo qui accélère l’activité tout en augmentant l’efficacité.
Sécurité et praticité au carré
Le résultat est un réacteur avec une surface active d’un demi-mètre carré. Séparé de l’oxygène, il génère de l’hydrogène, qui peut être capturé et quantifié directement. À l’heure actuelle, un seul module exposé à la lumière du soleil dans les conditions européennes peut produire plus de 30 kilogrammes d’hydrogène par an sur 100 mètres carrés. Avec ce rendement, une voiture à hydrogène pourrait parcourir 15 000 à 20 000 kilomètres, par exemple.
« En ce qui concerne les dimensions de la cellule tandem, nous sommes limités par le fait que notre module sépare directement l’eau, mais il faut aussi que l’électricité passe d’un côté à l’autre pour y parvenir. Lorsque la surface du module augmente, la résistance croissante a un effet défavorable sur le système. Dans l’état actuel des choses, le format existant s’est avéré optimal. Il est stable, robuste et nettement plus grand que toute autre solution comparable », note M. Görne. Les éléments compacts peuvent être connectés selon les besoins sans effets secondaires négatifs, qu’il s’agisse d’un seul module ou de grandes surfaces – un avantage significatif pour la solution Fraunhofer.
Relier l’expertise
Le projet, qui vient de s’achever, est également un exemple réussi de collaboration interinstitutionnelle et de combinaison d’expertises Fraunhofer complémentaires. Le Fraunhofer IKTS a mené des recherches sur les matériaux et le traitement de la couche photoactive. Les collègues de l’Institut Fraunhofer pour l’ingénierie des surfaces et des couches minces IST ont apporté leur expérience dans l’utilisation du dépôt physique en phase vapeur pour revêtir de grandes surfaces. La conception du réacteur, la production fiable et peu coûteuse et l’évaluation ultérieure des modules ont été confiées aux experts du Fraunhofer Center for Silicon Photovoltaics CSP.
Les partenaires du projet ont déjà effectué de nombreux essais sur le terrain qui ont démontré la stabilité et le bon fonctionnement du module et des interconnexions. Mais ce n’est pas tout pour les équipes Fraunhofer, qui ont dévoilé leur réacteur pour la première fois lors du salon Achema 2024 à Francfort en juin, car elles ont commencé à planifier leurs prochaines étapes depuis longtemps. D’une part, ils prévoient de poursuivre leur collaboration fructueuse entre instituts dans le cadre d’un projet de suivi et, d’autre part, ils ont l’intention de développer leur solution dans différentes directions en collaboration avec le secteur privé – pour une production et une fourniture décentralisées, directes, sûres et efficaces d’hydrogène.
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