Les ingénieurs du MIT ont développé un nouveau système utilisant une série de réacteurs solaires pour produire de l’hydrogène sans carbone, augmentant considérablement l’efficacité de 7 % à 40 %. Leur conception innovante de réacteur en forme de train pourrait rendre la production d’hydrogène vert évolutive et économiquement réalisable.
MIT les ingénieurs visent à produire un carburant hydrogène totalement vert et sans carbone avec un nouveau système de réacteurs en forme de train alimenté uniquement par le soleil.
Dans une étude récemment publiée dans le Journal de l’énergie solaire, les ingénieurs présentent la conception d’un système capable de produire efficacement « de l’hydrogène thermochimique solaire ». Le système exploite la chaleur du soleil pour diviser directement l’eau et générer de l’hydrogène – un carburant propre qui peut alimenter les camions, les navires et les avions sur de longues distances, tout en n’émettant aucune émission de gaz à effet de serre.
Aujourd’hui, l’hydrogène est en grande partie produit par des processus impliquant du gaz naturel et d’autres combustibles fossiles, ce qui fait de ce carburant autrement vert une source d’énergie « grise » lorsqu’on l’envisage du début de sa production jusqu’à son utilisation finale. En revanche, l’hydrogène thermochimique solaire, ou STCH, offre une alternative totalement sans émissions, car il repose entièrement sur l’énergie solaire renouvelable pour piloter la production d’hydrogène. Mais jusqu’à présent, les conceptions STCH existantes ont une efficacité limitée : seulement environ 7 % de la lumière solaire entrante est utilisée pour produire de l’hydrogène. Jusqu’à présent, les résultats ont été faibles et coûteux.
Les ingénieurs du MIT ont développé une conception pour un système qui exploite efficacement la chaleur du soleil pour diviser l’eau et générer de l’hydrogène. Crédit : Avec l’aimable autorisation d’Ahmed Ghoniem, Aniket Patankar, et. Al
Dans un grand pas vers la réalisation de carburants fabriqués à l’énergie solaire, l’équipe du MIT estime que sa nouvelle conception pourrait exploiter jusqu’à 40 % de la chaleur du soleil pour générer encore plus d’hydrogène. L’augmentation de l’efficacité pourrait réduire le coût global du système, faisant de STCH une option potentiellement évolutive et abordable pour aider à décarboner le secteur des transports.
« Nous considérons l’hydrogène comme le carburant du futur, et il est nécessaire de le produire à moindre coût et à grande échelle », déclare l’auteur principal de l’étude, Ahmed Ghoniem, professeur Ronald C. Crane de génie mécanique au MIT. « Nous essayons d’atteindre l’objectif du ministère de l’Énergie, qui est de produire de l’hydrogène vert d’ici 2030, à 1 dollar le kilogramme. Pour améliorer l’économie, nous devons améliorer l’efficacité et nous assurer que la majeure partie de l’énergie solaire que nous collectons est utilisée dans la production d’hydrogène.
Les co-auteurs de l’étude de Ghoniem sont Aniket Patankar, premier auteur et postdoctorant au MIT ; Harry Tuller, professeur de science et d’ingénierie des matériaux au MIT ; Xiao-Yu Wu du Université de Waterloo; et Wonjae Choi de l’Université Ewha Womans en Corée du Sud.
Stations solaires
Semblable à d’autres conceptions proposées, le système MIT serait associé à une source de chaleur solaire existante, telle qu’une centrale solaire à concentration (CSP) – un réseau circulaire de centaines de miroirs qui collectent et réfléchissent la lumière du soleil vers une tour de réception centrale. Un système STCH absorbe ensuite la chaleur du récepteur et la dirige pour diviser l’eau et produire de l’hydrogène. Ce processus est très différent de l’électrolyse, qui utilise de l’électricité au lieu de la chaleur pour diviser l’eau.
Au cœur d’un système STCH conceptuel se trouve une réaction thermochimique en deux étapes. Dans un premier temps, l’eau sous forme de vapeur est exposée à un métal. Cela amène le métal à capter l’oxygène de la vapeur, laissant derrière lui de l’hydrogène. Cette « oxydation » du métal s’apparente à la rouille du fer en présence d’eau, mais elle se produit beaucoup plus rapidement. Une fois l’hydrogène séparé, le métal oxydé (ou rouillé) est réchauffé sous vide, ce qui inverse le processus de rouille et régénère le métal. Une fois l’oxygène éliminé, le métal peut être refroidi et exposé à nouveau à la vapeur pour produire davantage d’hydrogène. Ce processus peut être répété des centaines de fois.
Le système MIT est conçu pour optimiser ce processus. Le système dans son ensemble ressemble à un train de réacteurs en forme de boîte circulant sur une voie circulaire. En pratique, cette piste serait tracée autour d’une source solaire thermique, telle qu’une tour CSP. Chaque réacteur du train abriterait le métal qui subit le processus redox, ou rouille réversible.
Chaque réacteur passerait d’abord par une station chaude, où il serait exposé à la chaleur du soleil à des températures pouvant atteindre 1 500 degrés. Celsius. Cette chaleur extrême extrairait efficacement l’oxygène du métal d’un réacteur. Ce métal serait alors dans un état « réduit », prêt à capter l’oxygène de la vapeur. Pour que cela se produise, le réacteur devrait être transféré dans une station plus froide à des températures avoisinant les 1 000 °C, où il serait exposé à la vapeur pour produire de l’hydrogène.
Rouille et rails
D’autres concepts STCH similaires se sont heurtés à un obstacle commun : que faire de la chaleur dégagée par le réacteur réduit lors de son refroidissement ? Sans récupération et réutilisation de cette chaleur, l’efficacité du système est trop faible pour être pratique.
Un deuxième défi consiste à créer un vide économe en énergie où le métal peut se dérouiller. Certains prototypes génèrent un vide à l’aide de pompes mécaniques, bien que ces pompes soient trop énergivores et coûteuses pour la production d’hydrogène à grande échelle.
Pour relever ces défis, la conception du MIT intègre plusieurs solutions de contournement en matière d’économie d’énergie. Pour récupérer la majeure partie de la chaleur qui s’échapperait autrement du système, les réacteurs situés sur les côtés opposés de la piste circulaire sont autorisés à échanger de la chaleur par rayonnement thermique ; les réacteurs chauds sont refroidis tandis que les réacteurs froids sont chauffés. Cela maintient la chaleur dans le système. Les chercheurs ont également ajouté un deuxième ensemble de réacteurs qui tourneraient autour du premier train, se déplaçant dans la direction opposée. Ce train externe de réacteurs fonctionnerait à des températures généralement plus froides et serait utilisé pour évacuer l’oxygène du train interne plus chaud, sans avoir recours à des pompes mécaniques énergivores.
Ces réacteurs externes transporteraient un deuxième type de métal qui peut également s’oxyder facilement. Lorsqu’ils tournent, les réacteurs externes absorberaient l’oxygène des réacteurs internes, dérouillant efficacement le métal d’origine, sans avoir à utiliser de pompes à vide énergivores. Les deux trains de réacteurs fonctionneraient en continu et généreraient des flux séparés d’hydrogène et d’oxygène purs.
Les chercheurs ont effectué des simulations détaillées de la conception et ont découvert que cela augmenterait considérablement l’efficacité de la production d’hydrogène thermochimique solaire, de 7 pour cent, comme l’ont démontré les conceptions précédentes, à 40 pour cent.
« Nous devons penser à chaque élément d’énergie du système et à la manière de l’utiliser afin de minimiser les coûts », explique Ghoniem. « Et avec cette conception, nous avons découvert que tout peut être alimenté par la chaleur provenant du soleil. Il est capable d’utiliser 40 pour cent de la chaleur du soleil pour produire de l’hydrogène.
L’année prochaine, l’équipe construira un prototype du système qu’elle prévoit de tester dans des installations d’énergie solaire concentrée dans les laboratoires du ministère de l’Énergie, qui finance actuellement le projet.
« Une fois pleinement mis en œuvre, ce système serait hébergé dans un petit bâtiment au milieu d’un champ solaire », explique Patankar. « À l’intérieur du bâtiment, il pourrait y avoir un ou plusieurs trains comportant chacun une cinquantaine de réacteurs. Et nous pensons qu’il pourrait s’agir d’un système modulaire, dans lequel vous pourriez ajouter des réacteurs à un tapis roulant, pour augmenter la production d’hydrogène.
Ce travail a été soutenu par les centres de recherche et d’enseignement en génie mécanique du MIT et de SUSTech.
