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Génération de combustible solaire

Génération de combustible solaire

La génération de combustible par l'énergie solaire est une technique basée sur la génération de réactions chimiques utilisant le rayonnement solaire. Ces processus chimiques permettent de générer de l'énergie qui proviendrait d'une source de combustible fossile ou d'énergie nucléaire.

La génération de combustibles solaires présente l'avantage de pouvoir être facilement transportés et stockés. Toutefois, l'ajout d'une étape dans la génération d'énergie électrique (génération de combustible) implique une réduction de l'efficacité: l'ajout d'une étape supplémentaire entre le stockage de l'énergie et la production d'électricité diminue considérablement l'efficacité du processus global.

Types de réactions chimiques solaires

Les réactions chimiques induites par le Soleil peuvent être divisées en réactions thermochimiques ou en réactions photochimiques. Une photosynthèse artificielle peut produire une variété de carburants.

Une réaction thermochimique est une réaction chimique dans laquelle une transformation thermodynamique est expérimentée. En d'autres termes, c'est une réaction qui génère ou absorbe de l' énergie thermique.

Les réactions photochimiques génèrent des interactions entre les atomes, les petites molécules et la lumière. Dans la photochimie, il existe deux lois physiques très importantes. La première loi de la photochimie stipule que la lumière doit être absorbée par une substance chimique pour provoquer une réaction photochimique. La deuxième loi de la photochimie stipule que, pour chaque photon de lumière absorbé par un système chimique, une seule molécule est activée pour une réaction photochimique.

Chimie solaire

Quelle est la chimie solaire? La chimie solaire fait référence à une série de processus possibles qui exploitent l'énergie solaire en absorbant la lumière du soleil lors d'une réaction chimique. L'idée est conceptuellement similaire à la photosynthèse chez les plantes, qui convertit l'énergie solaire en liaisons chimiques des molécules de glucose, mais sans utiliser d'organismes vivants, d'où son surnom de "photosynthèse artificielle".

Une approche prometteuse consiste à utiliser la lumière solaire focalisée pour fournir l'énergie nécessaire à la séparation de l'hydrogène et de l'oxygène de l'eau en présence d'un catalyseur métallique tel que le zinc. Ce processus se déroule normalement en deux étapes, de manière à éviter la présence d'hydrogène et d'oxygène dans la même chambre afin d'éviter tout risque d'explosion.

Une autre approche consiste à utiliser l'hydrogène créé dans ce processus et à le combiner avec du dioxyde de carbone pour créer du méthane. L'avantage de cette approche est qu'il existe une infrastructure bien établie pour transporter et brûler le méthane afin de produire de l'énergie, ce qui n'est pas le cas pour l'hydrogène.

Le principal inconvénient de ces deux approches est commun à la plupart des méthodes de stockage d'énergie: l'ajout d'une étape supplémentaire entre le stockage d'énergie et la production d'électricité réduit considérablement l'efficacité du processus global.

Photosynthèse artificielle

La photosynthèse artificielle est un processus chimique qui imite le processus naturel de la photosynthèse, qui convertit la lumière du soleil, l'eau et le dioxyde de carbone en glucides et en oxygène. Le terme désigne généralement tout système permettant de capter et de stocker l'énergie de la lumière solaire dans les liaisons chimiques d'un combustible (combustible solaire). La dissociation photocatalytique de l'eau convertit l'eau en protons (et finalement en hydrogène) en oxygène et constitue l'un des principaux domaines de recherche de la photosynthèse artificielle. La réduction photochimique du dioxyde de carbone est un autre processus à l'étude qui reproduit la fixation naturelle du carbone.

Les recherches développées dans ce domaine comprennent la conception et la construction de dispositifs (et de leurs composants) pour la production directe de combustibles solaires, la chimie photoélectrique et ses applications dans les piles à combustible, ainsi que la conception d'enzymes et de microorganismes photoautotrophes pour la la production de biohydrogène à partir de la lumière du soleil. La plupart des lignes de recherche, sinon la plupart, s'inspirent du monde biologique, c'est-à-dire qu'elles sont basées sur la biomimétique.

Perspectives pour l'avenir du combustible solaire

L'un des défis actuels est le développement de la chimie catalytique multiélectronique impliquée dans la fabrication de carburants à base de carbone (tels que le méthanol) à partir de la réduction de dioxyde de carbone. Une alternative viable est l'hydrogène. La production de protons, bien que l'utilisation de l'eau comme source d'électrons (comme le font les plantes dans la photosynthèse) nécessite de maîtriser l'oxydation multielectronique de deux molécules d'eau en oxygène moléculaire.

Dans certains secteurs, il est prévu de travailler avec des centrales à combustible solaire dans les zones côtières métropolitaines d'ici 2050: la séparation de l'eau de mer qui fournit de l'hydrogène par les centrales électriques à piles à combustible adjacentes et le sous-produit de l'eau pure qui entre directement dans le système d'eau municipal. Une autre vision concerne toutes les structures humaines qui couvrent la surface de la terre (routes, véhicules et bâtiments) rendant la photosynthèse encore plus efficace que les plantes.

Les technologies de production d'hydrogène constituent un domaine important de la recherche en chimie solaire depuis les années 1970. Outre l'électrolyse pilotée par des cellules photovoltaïques ou photochimiques, plusieurs procédés thermochimiques ont également été explorés. L'une de ces voies utilise des concentrateurs pour séparer l'eau en oxygène et en hydrogène à des températures élevées (2 300-2 600 ° C ou 4 200-4 700 ° F).

Une autre approche utilise la chaleur des concentrateurs solaires pour stimuler le reformage à la vapeur du gaz naturel, ce qui augmente le rendement global en hydrogène par rapport aux méthodes de reformage classiques. Les cycles thermochimiques caractérisés par la décomposition et la régénération des réactifs constituent un autre moyen de produire de l'hydrogène. Le procédé Solzinc en cours de développement à l'institut Weizmann utilise un four solaire de 1 MW pour décomposer l'oxyde de zinc (ZnO) à des températures supérieures à 1 200 ° C (2 200 ° F). Cette réaction initiale produit du zinc pur qui peut ensuite réagir avec de l'eau pour produire de l'hydrogène.

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Dernier examen: 15 mai 2019