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Feuilles artificielles : comment fabriquer de l'hydrogène avec de la lumière du soleil et des oxydes métalliques ?
Alors que la dépendance mondiale aux combustibles fossiles traditionnels diminue progressivement, la recherche d’énergies renouvelables est devenue l’objectif actuel. La technologie de synthèse de l’hydrogène utilisant l’énergie solaire et les oxydes métalliques présente un grand potentiel et devrait devenir le cœur de la révolution de l’énergie verte. Cette technologie devrait permettre de répondre aux besoins énergétiques futurs de manière respectueuse de l’environnement.
Le concept de carburant solaire
Les carburants solaires sont des carburants synthétiques synthétisés en utilisant l’énergie solaire, et leurs principales formes comprennent l’hydrogène, l’ammoniac et l’hydrazine. La production de ces carburants peut être divisée en différentes technologies telles que photochimique, photobiologique et électrochimique. Parmi elles, la méthode photochimique est l’une des technologies les plus prometteuses à ce stade car son seul sous-produit est l’eau. Cela fait de l’hydrogène une option énergétique propre et sûre.
« Les combustibles solaires peuvent être produits lorsque le soleil brille, puis stockés et transportés en cas de besoin. »
À l’avenir, à mesure que la technologie de l’hydrogène et des autres combustibles solaires mûrira, leurs avantages en matière de transport et de stockage deviendront de plus en plus évidents. Par exemple, l’ammoniac a une densité énergétique 1,3 fois supérieure à celle de l’hydrogène liquide, tandis que l’hydrazine est presque deux fois plus élevée, ce qui rend ces carburants plus attractifs.
Production photoélectrochimique d'hydrogène
Le processus photoélectrochimique utilise des cellules solaires spécifiques pour électrolyser l'eau. Dans ce processus, la lumière du soleil est convertie en courant électrique via des électrodes sensibles à la lumière, puis ce courant électrique est utilisé pour décomposer l’eau afin de produire de l’hydrogène et de l’oxygène. Bien que les matériaux actuellement obtenus ne soient pas encore suffisamment performants pour des applications commerciales, les scientifiques continuent d’explorer des moyens d’améliorer le processus.
« La simplicité de la construction pourrait se traduire par des coûts réduits et une meilleure efficacité de conversion énergétique. »
Par ailleurs, la technologie des « feuilles artificielles » dans les procédés photochimiques est largement étudiée. Elle combine des catalyseurs à base d'oxydes métalliques et des cellules solaires à semi-conducteurs pour générer de l'hydrogène directement à partir de la lumière du soleil. Cette approche ouvrirait de nouvelles possibilités de production d’hydrogène.
Application de la photobiologie à la production d'hydrogène
La méthode photobiologique utilise des micro-organismes photosynthétiques tels que les algues vertes et les cyanobactéries pour produire de l'hydrogène dans des conditions spécifiques. Par exemple, lorsque des algues vertes sont cultivées dans un environnement pauvre en soufre, il est possible de produire de l’hydrogène sans oxygène. La faisabilité de ce procédé continue d’attirer les scientifiques pour des recherches approfondies.
« Si nous parvenons à surmonter avec succès le problème de l’inhibition de l’oxygène dans la production d’hydrogène, ce sera une avancée majeure. »
Alors qu’ils cherchent à augmenter la production d’hydrogène, les scientifiques étudient également comment utiliser les techniques de biologie synthétique pour optimiser le processus et le rendre durable pour la production industrielle.
Le processus thermochimique solaire utilise directement l’énergie thermique de la lumière du soleil pour décomposer l’eau. Dans ce procédé, l’énergie solaire est dirigée vers un réacteur à haute température à l’aide d’un faisceau concentré. Les technologies les plus prometteuses comprennent un cycle d’oxyde de cérium en deux étapes, qui effectue la réaction à une température élevée de 1400°C, et un cycle mixte de chlorure de cuivre, qui se déroule à une température plus basse de 500°C.
« Bien que la technologie soit encore au stade expérimental, les méthodes thermochimiques solaires pourraient fournir une solution viable pour la production d'hydrogène à l'avenir. »
De plus, le combiner avec le processus traditionnel de reformage des combustibles fossiles de gazéification du méthane avec l’énergie solaire contribuera à améliorer l’efficacité de cette technologie.
Technologie de réduction du dioxyde de carbone
Outre la production d’hydrogène, les chercheurs étudient également comment convertir le dioxyde de carbone (CO2) en monoxyde de carbone (CO) et d’autres composés. Ce procédé implique l’utilisation de photocatalyseurs appropriés et peut être réalisé dans un environnement alimenté par l’énergie solaire.
« La combinaison de cellules photovoltaïques et de systèmes électrochimiques peut permettre une conversion efficace du dioxyde de carbone. »
Cette technologie permet non seulement de réduire les émissions de gaz à effet de serre, mais fournit également des matières premières pour la production de carburants renouvelables.
Perspectives d'avenir
Avec les avancées et le développement continus de la technologie, l’hydrogène et d’autres combustibles solaires devraient devenir un élément important du système énergétique mondial à l’avenir. De nombreux experts prédisent qu’une nouvelle économie de l’ammoniac émergera sur les futurs marchés de l’énergie, soulignant le potentiel de l’ammoniac vert pour une utilisation dans les transports tels que les grands navires.
« Si le stockage et le transport de l’hydrogène peuvent être encore améliorés, nous ne dépendrons peut-être plus des combustibles fossiles à l’avenir. »
Comment l’utilisation de l’énergie solaire et le changement des sources d’énergie affecteront-ils notre vie quotidienne ?
