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Technology demonstration of large-scale photo-electrochemical system for solar hydrogen production

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De meilleures combinaisons électrolyseur/photovoltaïque mises en évidence dans des essais de terrain

L’un des moyens les plus prometteurs d’accroître la disponibilité en énergie solaire est de convertir l’excédent de production en hydrogène. Le projet PECSYS a étudié les meilleures combinaisons possibles de matériaux et de technologies pour permettre une telle opération.

Énergie

Tout se résume à l’électrolyse. En combinant des modules photovoltaïques (PV) avec des systèmes d’électrolyse, il est possible de convertir l’électricité excédentaire en hydrogène et l’utiliser plus tard, lorsque la demande commence à dépasser l’offre. Plus besoin de batteries de secours ou de convertisseurs CC-CC. L’hydrogène peut être utilisé dans de multiples processus industriels, et les utilisateurs bénéficient d’un cycle énergétique à zéro émission nette de carbone, de la production au stockage en passant par l’utilisation. Le projet PECSYS (Technology demonstration of large-scale photo-electrochemical system for solar hydrogen production) avait pour objectif de faire progresser cette technologie en explorant diverses combinaisons d’électrolyseurs et de cellules photovoltaïques. «Au départ, le plan consistait à tester différents matériaux, puis à sélectionner les meilleurs pour une mise en œuvre finale dans un démonstrateur. Cependant, nous avons rapidement appris que différentes approches offrent différents avantages. Plutôt que d’éliminer plusieurs options et de n’en retenir qu’une seule, nous avons plutôt décidé d’étudier plusieurs technologies», explique Sonya Calnan, responsable du groupe Photovoltaics to Fuels Technology (consacré aux technologies permettant de produire du carburant à partir du photovoltaïque) au Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) et coordinatrice du projet.

Couplés ou intégrés?

En ce qui concerne les électrolyseurs, le consortium s’est concentré à la fois sur le couplage direct et sur les électrolyseurs intégrés au PV. Le couplage direct du PV et des électrolyseurs n’est pas nouveau, mais l’équipe a constaté qu’il était encore possible d’optimiser leur ingénierie. Comme l’explique Sonya Calnan: «Nos collègues du Forschungszentrum Jülich ont mis au point des empilements à membrane électrolytique polymère (PEM pour polymer electrolyte membrane) uniques en leur genre, avec une charge et des systèmes de catalyseurs du groupe du platine réduits. Ceux-ci ne sont alimentés en eau que du côté de la cathode. Ce faisant, nous réduisons la complexité et le coût de notre solution par rapport aux électrolyseurs classiques.» Les électrolyseurs intégrés au photovoltaïque, en revanche, ont été choisis pour combler une lacune dans la recherche. Aucune étude n’avait jamais démontré leur fonctionnement à long terme en extérieur dans des dimensions dépassant l’échelle du laboratoire. HZB et l’université d’Uppsala ont comblé ensemble cette lacune, tout en évitant l’utilisation de métaux du groupe du platine pour les catalyseurs et en utilisant des technologies PV éprouvées pour capter l’énergie solaire. Sur le plan photovoltaïque, le consortium a opté respectivement pour des cellules PV à hétérojonction en silicium et des cellules PV CuInGaSe. Ils ont choisi les premières en raison de leur rendement élevé de conversion de l’énergie solaire en électricité, de leur faible coefficient de température, de leur tension élevée en circuit ouvert et de leur capacité biface intrinsèque. Pour finir, le choix se justifiait par les projets existants de construction d’un ou plusieurs grands site de production en Europe. «Les cellules PV CuInGaSe, en revanche, ont été choisies parce que la bande interdite est facilement ajustable. Nous pouvons optimiser l’adaptation de la tension des cellules PV et d’électrolyse en fonction des conditions climatiques locales sur le site d’exploitation», ajoute Sonya Calnan.

Essais de terrain

Les deux résultats les plus remarquables du projet sont sans aucun doute ses démonstrations sur le terrain. À Jülich, en Allemagne, les partenaires du projet ont mis en place une zone de collecte solaire de 8,2 m². Elle se compose de modules d’hétérojonction en silicium de taille réelle et de modules CuInGaSe connectés à des électrolyseurs à PEM détachés. L’installation a produit en moyenne 42,9 g/h d’hydrogène avec un rendement moyen de 10 % du solaire vers l’hydrogène sur un mois de fonctionnement continu en extérieur. Une deuxième démonstration du Conseil italien de la recherche à Catane, en Italie, a porté sur une zone de collecte de 730 cm² utilisant des modules PV à hétérojonction de silicium en fonctionnement biface. «La bifacialité représente une solution innovante pour augmenter le rendement de la production d’hydrogène sans en augmenter le coût. Nous avons pu mettre en évidence un rendement de 13,5 % du solaire vers l’hydrogène et un taux de production d’hydrogène de 307 mg/h à un niveau d’irradiation solaire de 1 000 W/m² et à une température ambiante de 25 °C. Cela représente une augmentation de 14 % par rapport à une utilisation monoface», expliquent Sonya Calnan et ses collègues. Le projet devrait se terminer en décembre 2020. Dans l’intervalle, l’équipe achèvera l’assemblage final des démonstrateurs intégrés et quantifiera les avantages de leurs solutions. À long terme, ils espèrent que le projet contribuera à de nouvelles idées pour le déploiement de systèmes d’énergie renouvelable autonomes et à faible coût.

Mots‑clés

PECSYS, électrolyseur, photovoltaïque, couplage direct, hydrogène, démonstrateur, CuInGaSe

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