Source : sec.ucf.edu
L'utilisation de l'énergie solaire pour produire de l'hydrogène peut être réalisée par deux procédés : l'électrolyse de l'eau utilisant l'électricité produite par l'énergie solaire et la séparation solaire directe de l'eau. Lorsque l'on considère l'électricité produite par l'énergie solaire, presque tout le monde parle d'électrolyse PV. Le processus fonctionne. En fait, il a été démontré pour la première fois au Florida Solar Energy Center en 1983 grâce au financement du Centre spatial Kennedy de la NASA. Bien que technologiquement faisable, il n'est pas encore économiquement viable. Outre le coût, se pose la question de savoir pourquoi utiliser l'électricité, un vecteur énergétique très efficace, pour générer de l'hydrogène, un autre vecteur énergétique, puis le reconvertir en électricité pour l'utiliser ? En d'autres termes, l'électricité est si précieuse en tant qu'électricité, notre vecteur d'énergie le plus souhaitable, que nous ne voudrions peut-être pas l'utiliser pour autre chose. Cela est particulièrement vrai si l'électricité est produite à partir de panneaux photovoltaïques. Le PV en tant que source d'énergie correspond à la charge de pointe de climatisation des services publics de la nation &. Il est beaucoup mieux d'utiliser l'électricité PV comme électricité car il est trop inutile de l'utiliser autrement.
Quand sera-t-il judicieux de produire de l'hydrogène à partir d'électricité solaire ? La réponse est que nous voudrons produire de l'hydrogène chaque fois que l'électricité ne peut pas être utilisée - hors pointe dans les zones reculées et pendant les variations saisonnières. L'hydrogène provenant du vent, de l'hydroélectricité, de la géothermie ou de toute autre forme d'électricité solaire est précieux lorsque la ressource ne correspond pas au profil de charge du réseau électrique.
Si l'électricité solaire via PV-électrolyse-pile à combustible n'a pas de sens, qu'en est-il de l'hydrogène PV-électrolytique ? En fait, la plupart des discussions sur l'électrolyse PV concernent la production d'hydrogène à utiliser comme carburant automobile. Encore une fois, ce scénario ne semble pas viable. Prenons le cas d'une station de ravitaillement en hydrogène distribuant 1 000 gallons d'essence par jour, soit environ la moitié de la moyenne nationale. Notez qu'un gallon d'essence contient à peu près la même quantité d'énergie qu'un kilogramme (kg) d'hydrogène. Ainsi, une station de ravitaillement nécessitera environ 1 000 kg d'hydrogène par jour. En utilisant le pouvoir calorifique inférieur de l'hydrogène, l'énergie électrique nécessaire pour générer un kg d'hydrogène est de 51 kWh (en utilisant un rendement d'électrolyseur de 65 %). Cela signifie que 1 000 kg/jour d'hydrogène nécessiteront 51 000 kWh d'électricité par jour. La quantité de PV nécessaire pour fournir 51 000 kWh peut être estimée en divisant le kWh par 5 heures/jour. Ainsi, 10 200 kWc ou 10,2 mégawatts de puissance photovoltaïque seront nécessaires pour faire fonctionner une station de ravitaillement en hydrogène de 1 000 kg/jour. Notez que 1 kWc nécessite environ 10 mètres carrés de surface pour le PV à un rendement de 10 %.
La deuxième catégorie, la séparation solaire directe de l'eau, désigne tout procédé dans lequel l'énergie solaire est directement utilisée pour produire de l'hydrogène à partir de l'eau sans passer par l'étape intermédiaire d'électrolyse. Les exemples comprennent:
fractionnement photoélectrochimique de l'eau - cette technique utilise des électrodes semi-conductrices dans une cellule photoélectrochimique pour convertir l'énergie lumineuse en énergie chimique de l'hydrogène. Il existe essentiellement deux types de systèmes photoélectrochimiques : l'un utilisant des semi-conducteurs ou des colorants et l'autre utilisant des complexes métalliques dissous.
photobiologique - ceux-ci impliquent la génération d'hydrogène à partir de systèmes biologiques en utilisant la lumière du soleil. Certaines algues et bactéries peuvent produire de l'hydrogène dans des conditions appropriées. Les pigments des algues absorbent l'énergie solaire et les enzymes de la cellule agissent comme des catalyseurs pour diviser l'eau en ses constituants hydrogène et oxygène.
cycles thermochimiques à haute température - ces cycles utilisent la chaleur solaire pour produire de l'hydrogène par division de l'eau à l'aide d'étapes thermochimiques.
la gazéification de la biomasse – elle utilise la chaleur pour convertir la biomasse en un gaz synthétique riche en hydrogène.
Les processus photoélectrochimiques et photobiologiques sont ceux qu'il faut développer pour répondre aux besoins énergétiques à long terme. Aujourd'hui, les systèmes's sont efficaces à moins de 1% (solaire par rapport à l'hydrogène) et ils doivent atteindre des rendements beaucoup plus élevés pour être économiques. De plus, il n'y a pas d'installations à grande échelle de l'une ou l'autre technologie.
Les cycles thermochimiques à haute température peuvent atteindre d'excellents rendements (supérieurs à 40 %), mais ils doivent utiliser des récepteurs/réacteurs solaires concentrés capables d'atteindre des températures supérieures à 800º C. Il existe une grande variété de cycles thermochimiques qui ont été étudiés. (Voir Production d'hydrogène par cycles thermochimiques solaires de fractionnement de l'eau).
La gazéification de la biomasse utilise la chaleur pour transformer la biomasse (bois, herbes ou déchets agricoles) en gaz de synthèse. La composition des gaz dépend du type de charge, de la présence d'oxygène, de la température de la réaction et d'autres paramètres. Les gazéifieurs de biomasse ont été développés en tant que réacteurs à lit fixe, à lit fluidisé et à lit entraîné.