Les ingénieurs du MIT visent à produire de l’hydrogène totalement vert et sans carbone avec un nouveau système de réacteurs en forme de train, alimenté uniquement par le soleil.
Dans une étude parue aujourd’hui dans Photo voltaic Vitality Journal, les ingénieurs présentent la conception d’un système able 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 creation jusqu’à son utilisation finale. En revanche, l’hydrogène thermochimique solaire, ou STCH, offre une substitute totalement sans émissions, automobile 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.
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 world-wide du système, faisant de STCH une selection 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 de l’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 focus (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 leading 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 furthermore 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 teach 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 coach 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 in addition 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 ideas STCH similaires se sont heurtés à un impediment 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 generation d’hydrogène à grande échelle.
Pour relever ces défis, la conception du MIT intègre plusieurs remedies 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 educate, se déplaçant dans la direction opposée. Ce teach externe de réacteurs fonctionnerait à des températures généralement plus froides et serait utilisé pour évacuer l’oxygène du prepare interne in addition 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 able 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 installé 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 approximativement 50 réacteurs. Et nous pensons qu’il pourrait s’agir d’un système modulaire, dans lequel vous pouvez ajouter des réacteurs à un tapis roulant, pour augmenter la output d’hydrogène. »
Ce travail a été soutenu par les centres de recherche et d’enseignement en génie mécanique du MIT et de SUSTech.
