Cycles thermochimiques de dissociation de l’eau

Objectifs scientifiques


L’objectif principal concerne le développement de procédés pour la production de combustibles synthétiques par voie thermochimique solaire sans émission de gaz à effet de serre. Les différents carburants solaires visés sont l’hydrogène, le gaz de synthèse (avec H2et CO comme constituants principaux), et les combustibles dérivés (méthanol, DME, ou autres carburants liquides synthétiques). L'hydrogène est un vecteur énergétique qui permet le stockage à long terme et le transport de l'énergie solaire, en vue de son utilisation en combustion directe ou dans une pile à combustible. Les différentes voies de production envisagées sont illustrées sur la Figure 1. La production d’hydrogène à partir de l’énergie solaire peut être réalisée à partir de deux catégories de précurseurs : les ressources hydrocarbonées (gaz naturel, charbon, biomasse…) et l’eau.

Par ailleurs, des procédés solaires permettant la valorisation des émissions de CO2issues par exemple des procédés industriels sont également développés. L’objectif de cette valorisation est la conversion du CO2en combustible de synthèse grâce à l’énergie solaire.

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Figure 1 : Filières de production d’hydrogène par voie solaire

Cycles thermochimiques de dissociation de l’eau

L’eau constitue la source idéale d’hydrogène en raison de son abondance, faible coût, et l’absence d’émission de CO2 lors de sa dissociation en hydrogène et oxygène. Les cycles de décomposition de l'eau consistent à réaliser la décomposition thermique ou thermo-électrochimique de l'eau avec apport d'énergie solaire grâce à une succession de réactions dont la somme est équivalente à H2O → H2 + ½ O2 (ΔH° = 286 kJ/mole).
La thermolyse directe de l’eau n’est pas favorable sur le plan thermodynamique et de très hautes températures (> 2500°C) sont requises pour obtenir des taux de dissociation significatif. De plus, les produits O2 et H2 doivent être trempés et séparés pour empêcher leur recombinaison.
Les cycles thermochimiques couplés à une source de chaleur solaire permettent d’abaisser significativement la température dans le domaine 1200-1800°C pour produire de l’hydrogène en peu d’étapes (2 à 3) avec un meilleur rendement que l’électrolyse (de l’ordre de 30-45%).
Par exemple, le cycle basé sur la paire redox ZnO/Zn comporte une première étape de dissociation thermique de ZnO et une seconde étape d’hydrolyse du Zn produisant l’hydrogène et ZnO qui peut être recyclé dans la première étape solaire.

(1) Etape solaire : ZnO → Zn + ½ O2 (endothermique, T1)
(2) Etape d’hydrolyse : Zn + H2O → ZnO + H2 (exothermique, T2)

L’intérêt d’un tel schéma est la production séparée de O2 et H2, et la pureté de l’hydrogène produit qui permet son utilisation directe dans une pile à combustible.
La synthèse de composés métalliques à haut contenu énergétique permet également le stockage de l’énergie solaire. Pour certains oxydes, l’étape solaire peut être réalisée avec un réducteur afin d’abaisser la température (exemple de la carbo-réduction, Figure 1).

Les recherches portent sur la sélection et l’évaluation de cycles thermochimiques candidats pour la production d’hydrogène solaire, à partir d’une base de données construite à PROMES et regroupant environ 280 cycles référencés. Les recherches se focalisent par exemple sur des cycles à base d’oxydes simples (Fe3O4/FeO, ZnO/Zn, ou SnO2/SnO breveté par le laboratoire) ou d’oxydes mixtes. Les objectifs de l’étude sont l’identification et la caractérisation expérimentale de nouveaux cycles producteurs d’hydrogène, ainsi que la conception et l’ingénierie des réacteurs haute température et l’analyse de l’efficacité énergétique des procédés.

La mise en œuvre de ces cycles implique en particulier de déterminer les conditions opératoires des étapes de réduction et d’hydrolyse, d’étudier la réactivité des systèmes solide-gaz (cinétiques réactionnelles, synthèse et mise en forme de composés actifs, caractérisation physico-chimique des matériaux), puis de concevoir et évaluer (expérimentation et modélisation) des récepteurs/réacteurs solaires innovants à différentes échelles (de 1 à 50 kW) et opérant à haute température de façon fiable (Figure 2). La température élevée de l’étape solaire nécessite le développement de matériaux de construction thermiquement et chimiquement stables et inertes.
Cette étude est complétée par l’analyse des différents cycles d’un point de vue thermodynamique (analyse exergétique), procédé (couplage avec un système solaire à concentration à grande échelle), et économique.

Contact: Stéphane ABANADES, Gilles FLAMANT