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Carburant solaire
Vers de l'essence durable: transformation d'énergie solaire en carburant
Le soleil est une source d'énergie propre et inépuisable. Son potentiel: résoudre durablement les défis d'un futur approvisionnement énergétique. Néanmoins, il reste un gros problème: le soleil ne brille pas tout le temps et son énergie est difficilement stockable. Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI et de l'ETH Zurich sont les premiers à présenter un processus chimique permettant d'utiliser l'énergie thermique du soleil pour produire directement des carburants hautement énergétiques à partir de dioxyde de carbone et d'eau. Ils ont développé à cet effet une nouvelle combinaison de matériaux, à base d'oxyde de cérium et de rhodium. Ils ouvrent ainsi la voie vers un stockage chimique de l'énergie solaire. Les chercheurs publient à présent leurs résultats dans la revue spécialisée Energy and Environmental Science .
Aujourd'hui déjà, l'énergie solaire est exploitée sous différentes formes: alors que les cellules photovoltaïques transforment la lumière du soleil en courant électrique, les installations solaires thermiques tirent parti de l'énorme énergie thermique des rayons solaires, par exemple pour chauffer un fluide. Ce second principe est réalisé à grande échelle dans les centrales solaires: des milliers de miroirs concentrent les rayons du soleil vers un absorbeur de chaleur, où de la vapeur est produite à une température de plus de 500°C, soit directement, soit par un échangeur de chaleur. L'énergie thermique est ainsi transformée en courant électrique par l'entremise de turbines.
Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI et de l'ETH Zurich viennent de développer conjointement une version alternative à ce principe. Leur nouveau procédé est le premier à exploiter la chaleur du soleil pour produire directement un carburant artificiel à base de dioxyde de carbone et d'eau.
Cela permet de stocker l'énergie solaire sous forme de liaisons chimiques, explique Ivo Alxneit, chimiste au Laboratoire de technologie solaire du PSI. Ce qui est plus simple que de stocker du courant. Ce nouveau concept fonctionne selon un principe tout à fait similaire à celui des centrales solaires. Ivo Alxneit et ses collègues utilisent la chaleur pour déclencher certains processus chimiques précis qui se déroulent à des températures très élevées de plus de 1000°C. Or pour produire cette chaleur, on pourra un jour utiliser l'énergie solaire.
De la chaleur du soleil au carburant
Le principe qui sous-tend la recherche d'Ivo Alxneit est ce qu'on appelle un cycle thermochimique. Cette notion recouvre à la fois la transformation chimique dans un processus de circulation et l'énergie thermique qu'elle nécessite. Il y a dix ans déjà, des chercheurs ont montré que des vecteurs faiblement énergétiques comme l'eau ou le dioxyde de carbone (un gaz résiduel) pouvaient être transformés en vecteurs hautement énergétiques comme l'hydrogène et le monoxyde de carbone.
Cela fonctionne en présence de certains matériaux comme l'oxyde de cérium, un composé de cérium (le cérium est un métal) et d'oxygène. A de très hautes températures d'environ 1500°C, l'oxyde de cérium perd certains de ses atomes d'oxygène. Des atomes d'oxygène que le matériau ainsi prétraité est avide de récupérer lorsque les températures sont basses. Or si des molécules d'eau et de dioxyde de carbone sont amenées sur une surface activée de cette manière, elles cèdent des atomes d'oxygène (symbole chimique: O). L'eau (H2O) se transforme alors en hydrogène (H2) et le dioxyde de carbone (CO2) en monoxyde de carbone (CO), tandis qu'en même temps, l'oxyde de cérium se régénère. Le processus cyclique peut ensuite redémarrer, en reprenant au début.
L'hydrogène et le monoxyde de carbone qui se sont constitués peuvent être utilisés pour produire du carburant: concrètement, des hydrocarbures gazeux ou liquides, comme le méthane, l'essence et le diesel. Ces carburants peuvent être utilisés directement, mais aussi stockés dans des réservoirs ou être injectés dans le réseau gazier.
Jusqu'ici: deux processus étaient nécessaires
Cependant, jusqu'ici, un second processus disjoint était nécessaire pour réaliser cette production: la synthèse dite de Fischer-Tropsch, développée en 1925 déjà. La combinaison du cycle thermochimique et du procédé Fischer-Tropsch a été récemment proposée par le consortium européen de recherche SOLAR-JET.
Sur le principe, cette combinaison résout le problème du stockage, mais la complexité technique de la synthèse de Fischer-Tropsch est considérable, critique Ivo Alxneit. De fait, le tout nécessiterait une autre installation technique de grande échelle, en plus de l'installation solaire.
Maintenant: une production directe de carburant solaire
Le nouveau principe d'Ivo Alxneit et de ses collègues permet de se passer du procédé Fischer-Tropsch et donc de la deuxième étape. Car les chercheurs ont développé un matériau permettant de produire directement le carburant lors de la première étape du procédé. Pour ce faire, ils ont ajouté de petites quantités de rhodium à l'oxyde de cérium. Le rhodium est un catalyseur. Autrement dit, il permet à certaines réactions chimiques précises de se produire. Or on sait depuis longtemps que le rhodium permet des réactions avec l'hydrogène, le monoxyde et le dioxyde de carbone.
Le catalyseur est un objet de recherche tout à fait central pour la production de carburants solaires, relève Ivo Alxneit. Et Fangjian Lin, son doctorant au PSI, souligne:
La maîtrise des conditions cadres extrêmes et le développement d'un matériau catalytique qui supporte le processus d'activation à 1500 C ont représenté un important défi. Lors du refroidissement, par exemple, il faut empêcher que les tout petits îlots de rhodium à la surface du matériau ne s'agrandissent ou disparaissent, car c'est à leur niveau que les réactions souhaitées doivent se produire par la suite. Les carburants qui apparaissent en fin de processus sont assignés à leur utilisation spécifique et le processus cyclique peut redémarrer avec l'activation de l'oxyde de cérium.
Au PSI et à l'ETH Zurich, les chercheurs ont mesuré en laboratoire la composition de l'oxyde de cérium avec le rhodium, la qualité de l'activation (élimination de l'oxygène) et le degré de réussite de la formation de méthane. Pour ce faire, ils ont utilisé différentes méthodes standard d'analyse de structure et de gaz.
Pour l'instant, notre processus combiné ne livre que de petites quantités de carburant directement exploitables, relève Ivo Alxneit. Mais nous avons montré que notre idée fonctionnait. C'est elle, la clé, car auparavant, tout cela relevait de la science-fiction.
Tests réussis avec le four à haut rendement
Lors de leurs expériences, les chercheurs n'utilisent pas l'énergie solaire pour mettre en œuvre les processus, mais un four à haut rendement de l'ETH Zurich, par souci de simplicité.
Pour les tests, peu importe d'où vient l'énergie thermique, explique Matthäus Rothensteiner, doctorant au PSI et à l'ETH Zurich, entre autres responsable de ces tests.
Jeroen van Bokhoven, directeur du Laboratoire de catalyse et de chimie durable au PSI et professeur de catalyse hétérogène à l'ETH Zurich, ajoute:
Nous avons retiré de ces tests des connaissances importantes sur la stabilité à long terme du catalyseur. Notre four à haut rendement nous a permis de mener 59 cycles de manière particulièrement rapide. Notre matériau a déjà passé sans problème un premier test d'endurance important. Les chercheurs ont donc démontré la faisabilité de principe de leur procédé. Ils peuvent désormais se consacrer à son optimisation.
Texte: Uta Deffke
À propos du PSI
L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2000 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 370 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l' ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l’Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).
(Mise à jour: mai 2016)