En route vers le stockage chimique de l’énergie solaire
On le sait depuis longtemps, les plantes ont la capacité non seulement d’absorber la lumière du soleil mais aussi de stocker son énergie chimique. Imiter ce processus à une échelle industrielle reste toutefois difficile.
Le photovoltaïque convertit la lumière du soleil en électricité, mais à des températures élevées, l’efficacité des cellules solaires diminue. L’énergie électrique peut également être utilisée pour produire de l’hydrogène, pour ensuite être stockée – mais le rendement énergétique de ce procédé reste très limité.
Les scientifiques de l’Université technique de Vienne (TU Wien) ont mis au point un concept innovant : En associant des nouveaux matériaux hautement spécialisés, ils ont réussi à combiner l’énergie photovoltaïque à haute température avec une cellule électrochimique. La lumière ultraviolette peut ainsi être directement utilisée par la pompe à ions-oxygène à travers un électrolyte à oxyde solide. L’énergie de la lumière UV est stockée chimiquement.
Dans le futur, ce procédé pourrait également être utilisé pour décomposer l’eau en hydrogène et oxygène.
Matériaux spéciaux pour hautes températures
En tant qu’étudiant à la TU Wien, Georg Brunauer commencéà réfléchir sur les combinaisons possibles de l’énergie photovoltaïque avec le stockage électrochimique. La faisabilité d’un tel système dépend de sa façon de fonctionner à des températures élevées. “Cela nous permettrait de concentrer la lumière du soleil avec des miroirs et de construire des centrales à grande échelle avec un taux élevé d’efficacité“, explique Georg Brunauer. Les cellules photovoltaïques fonctionnent correctement jusqu’à 100°C. Dans une centrale thermique à concentration solaire des températures beaucoup plus élevées seraient atteintes.
Tout en travaillant sur sa thèse de doctorat, le chercheur a réussi à mettre ses idées en pratique. La clé du succès réside dans un choix inhabituel de matériaux. Au lieu du photovoltaïque à base de silicium, des oxydes de métaux spéciaux – pérovskites – ont été utilisés. En combinant plusieurs oxydes métalliques différents, il a réussi à assembler une cellule qui combine à la fois l’énergie photovoltaïque et électrochimique.
Tension et pompe à ions
“Notre cellule est constituée de deux parties distinctes – une partie photoélectrique sur le dessus et une partie électrochimique en dessous“, a précisé Georg Brunauer. “Dans la couche supérieure, la lumière ultraviolette crée des porteurs de charge, tout comme dans une cellule solaire standard.” Les électrons à ce niveau sont immédiatement retirés et se déplacent vers la couche inférieure de la cellule électrochimique. Une fois sur place, ces électrons sont utilisés pour ioniser l’oxygène en ions-oxygène négatifs, qui sont ensuite libérés à travers une membrane dans la partie de la cellule électrochimique.
“Ceci est l’étape cruciale de la photoélectrochimie, qui nous l’espérons, mènera vers la possibilité de fractionner l’eau et produire de l’hydrogène“, a ajouté Georg Brunauer. Dans la première étape, la cellule fonctionne comme une lampe UV conduisant la pompe à oxygène. Elle produit une tension de courant allant jusqu’à 920 millivolts à une température de 400°C.
La cellule photo-électrochimique a été présentée dans la revue Advanced Functional Materials, mais le projet de recherche continue.
“Nous voulons comprendre l’origine de ces effets en effectuant d’autres expériences, et nous espérons que nous serons en mesure d’améliorer davantage nos matériaux“. Si la puissance électrique peut être augmenté légèrement, la cellule sera alors capable de décomposer l’eau en hydrogène et oxygène. “Cet objectif est à portée de main maintenant que nous avons montré que la cellule fonctionne” a conclu Georg Brunauer.
Le concept pourrait également séparer le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone. L’énergie produite sous la forme d’un atome d’hydrogène et de monoxyde de carbone pourrait cette fois être utilisée pour synthétiser des carburants.
** Plusieurs partenaires de recherche (TU Wien) ont contribué au projet. Georg Brunauer est membre de l’équipe de recherche du professeur Karl Ponweiser à l’Institut pour les systèmes énergétiques et thermodynamique. Ont participé, le groupe du Prof. Jürgen Fleig (Technologies chimiques et Analytics) et l’Institut de Physique atomique et subatomique.
( Src : TU Wien )
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