Des chercheurs allemands ont mis au point une batterie solaire capable de stocker la lumière du soleil pendant plusieurs jours et de la transformer ensuite en hydrogène vert. Ce matériau combine stockage et production de carburant en un seul système et peut libérer de l'énergie exactement au moment où cela est nécessaire.
Des chercheurs de l'université Friedrich Schiller de Iéna et de l'université d'Ulm ont mis au point un système de stockage d'énergie solaire remarquable : une « batterie » rechargeable à base d'un copolymère capable de retenir la lumière du soleil pendant plusieurs jours et de ne la libérer qu'en cas de besoin, sous forme d'hydrogène vert.
Selon l'étude, publiée dans Nature Communications, le système combine stockage d'énergie, photocatalyse et production d'hydrogène dans un seul matériau. Il contourne ainsi l'un des principaux obstacles de l'énergie durable : le stockage efficace de l'énergie solaire et éolienne dans un vecteur énergétique à haute densité.
De la lumière du soleil à l'hydrogène dans un seul matériau
L'hydrogène vert joue un rôle clé dans les secteurs où l'électrification est difficile, tels que la production d'acier, l'industrie lourde et le transport longue distance. Aujourd'hui, les entreprises produisent la majeure partie de l'hydrogène par reformage du méthane, ce qui génère d'importantes émissions de CO₂.
Les chercheurs allemands adoptent une approche différente. Leur système utilise un copolymère soluble dans l'eau comportant des composants redox-actifs. Lorsque le matériau est exposé à la lumière, il stocke des électrons dans sa structure moléculaire. Ce processus fonctionne avec un rendement de charge d'environ 80 %, ce qui est remarquablement élevé pour un système de stockage photochimique.
La charge stockée reste ensuite stable pendant plusieurs jours, sans autodécharge notable. C'est crucial : de nombreux systèmes photocatalytiques ne produisent de l'hydrogène que tant qu'il y a de la lumière.
Le pH comme interrupteur marche/arrêt et indicateur de charge
La décharge n'a lieu que lorsque les chercheurs ajoutent un acide et un catalyseur d'évolution d'hydrogène. Les électrons stockés se combinent alors avec des protons et produisent de l'hydrogène gazeux, avec un rendement d'environ 72 %.
Il est frappant de constater que la batterie n'a pas besoin d'électronique pour fonctionner. L'ensemble du cycle est contrôlé par le pH du système :
- Ajout d'acide → production d'hydrogène (décharge)
- Retour au soleil → recharge
La couleur du polymère sert alors d'indicateur visuel de charge : jaune à l'état déchargé et violet lorsque le matériau est à nouveau « plein ».
Une mise à l'échelle à la portée de l'industrie existante
D'un point de vue technique, le système se situe à mi-chemin entre une batterie et un réacteur à combustible solaire. Les batteries classiques stockent l'énergie directement sous forme électrique, tandis que les producteurs de combustibles solaires tels que l'hydrogène transforment d'abord l'électricité en hydrogène, qu'ils stockent pour le réutiliser plus tard.
En combinant le stockage et la production de combustible au sein d’une seule plateforme chimique, ce type de matériau peut offrir une nouvelle voie pour le stockage décentralisé de l’énergie. On peut penser à la production locale d’hydrogène dans les parcs solaires, au stockage des excédents pour les processus industriels et aux tampons d’énergie chimique pour la stabilité du réseau.
Comme il s'agit de polymères, la mise à l'échelle via la synthèse chimique et les procédés de revêtement est en principe à la portée de l'industrie existante.
Croisement scientifique
Le chef de projet Sven Rau souligne que l'innovation réside principalement dans la combinaison de deux disciplines qui se rencontrent rarement : la chimie macromoléculaire des polymères et la photocatalyse. Cette association permet d'intégrer le stockage de charge, la stabilité et la catalyse dans un seul matériau.
Ulrich Schubert y voit un élément constitutif d’une « économie énergétique chimique », dans laquelle l’énergie est stockée et transportée non seulement sous forme d’électricité, mais aussi sous forme de molécules.
Pas encore de solution industrielle, mais très prometteur
Bien que les rendements soient élevés pour un dispositif de laboratoire, des défis subsistent :
- L'intensité lumineuse et les catalyseurs utilisés doivent être adaptés à la lumière solaire à grande échelle
- La densité énergétique par volume doit être augmentée pour des applications pratiques
- La stabilité cyclique sur des milliers de cycles de charge-décharge doit être démontrée
Ce concept s'inscrit néanmoins dans une tendance plus large vers le stockage moléculaire de l'énergie : des matériaux qui stockent l'énergie chimiquement sans recourir à de lourds packs de batteries ou à des réservoirs à haute pression. Si cette technologie s'avère évolutive, elle pourrait devenir le chaînon manquant entre l'énergie solaire bon marché et l'hydrogène vert utilisable – au moment où celui-ci est vraiment nécessaire.