Solar Hydrogen Energy System (2003)

L'hydrogene d'origine solaire
Rafik Djigouadi
Laboratoire de Mt?canique Avanu?e FGMGP, USTHB I CDER, Bouzareah
Les energies actuelles peuvent destabiliser notre systeme ecologique. Leur disponibilite est par ailleurs li
mitee. Un systeme d'energie base sur l'hydrogene solaire est propose comme solution ala fois non polluante et
renouvelable. L'hydrogene est produit par voie solaire principalement al'aide de procedes thermochimiques,
electrolytiques ou photoelectrochimiques. Le rayonnement solaire est stocke sous forme chimique dans le com
bustible solaire obtenu. L'energie chimique est restituee ala demande, grace aux piles acombustibles ou bien
ades moteurs thermiques convertis al'hydrogene qui ne polluent pratiquement pas. L'analyse des perspec
tives du systeme ahydrogene solaire montre que sa viabilite economique depend ala fois des rendements de
production, des rendements d'utilisation qui s'annoncent d'emblee concurrentiels, mais aussi, et s'en est le
principal enjeu, d'une technologie de stockage rentable. La voie de stockage qui semble la plus prometteuse
demeure celle par adsorption.
Mots cles : Energie solaire; Pmduction d 'Hydmgene; Stockage de l 'hydrogene; Pile a combnstible
1. Introduction
L'approvisionnement energetique mondial est au
jourd'hui essentiellement base sur !'utilisation des
ressources fossile et nucleaire. A terme, de telles
sources d'energies pourraient causer de serieux pre
judices anotre environnement. Les pollutions atmo
spheriques et l'effet de serre, mis en cause dans le re
chauffement climatique, associes aux retombees ra
dioactives liees au nucleaire sont des consequences
attendues. Cela argue en faveur d'un reexamen du
systeme d'energie actuel, a fortiori lorsque l'on sait le
caractere non renouvelable des ressources employees.
Au rythme des consommations actuelles, ces res
sources devraient s'epuiser dans un horizon relati
vement proche (les estimations sont de 40 ans pour
le petrole, 60 ans pour le gaz naturel, 200 ans pour
le charbon et 50 ans pour }'uranium naturel).
Un systeme d'energie solaire peut etre avance
comme solution a la fois renouvelable et non pol
luante. Pour que ce systeme d'energie soit viable, il
est indispensable de pouvoir stocker efficacemment
l'energie solaire. Une solution de stockage attractive
peut alors etre obtenue a partir de la production
de combustibles ou le rayonnement solaire est sto
cke sous forme chimique. L'hydrogene qui, assode a
d'autres elements, abonde dans la nature et dont la
combustion n'est pas polluante constitue pour cela
le parfait combustible solaire. Compte tenu des pers
pectives prometteuses des piles acombustibles et des
moteurs thermiques ahydrogene, un systeme d'ener
gie ahydrogene peut alors etre propose comme solu
tion de remplacement du systeme d'energie actuel.
Une recherche bibliographique a ete menee dans
le sens d'un systeme d'energie ahydrogene solaire.
Les differentes elements de la chaine ahydrogene so
laire sont pour cela analyses. Les techniques de pro
duction de l'hydrogene sont d'abord etudiees puis
suivies d'un expose sur les procedes de stockage, no
tamment par adsorption. Les moyens de production
d'energie mecanique et thermique autour de !'hydro
gene solaire sont ensuite examines et une synthese
sur les differents elements abordes est donnee.
2. Situation mondiale de l'i'mergie
La production mondiale d'energie primaire est es
timee a environ dix milliards de tonnes equivalent
petrole par an (tep/an). Avec le nucleaire, 86 %
de cette production reposent sur des ressources pri
maires non renouvelables (9, 34, 11, 37, 13]. La re
partition entre les differents types de ressources est
donnee par le tableau 1.
Notons, qu'acause de !'evolution demographique
mondiale et des efforts economiques des pays en
voie developpement, cette demande devrait doubler
al'horizon 2040-2050 (20 milliards de tep).
L'exploitation de ressources non renouvelables
implique une disponibilite limitee. Au niveau des
reserves fossiles, le tableau 2 indique les durees a

2 L'hydrogene d'origine solaire (2003)
TAB. 1
Situation au debut du 21eme
siecle
Source primaire
Petrole
Charbon
Gaz naturel
Nucleaire
Hydraulique
Biomasse (Bois)
TAB. 2
Etat et durees des reserves fossiles
Reserves mondiales
prouvees
(Gtep)
Petrole 140
Gaz naturel 130
charbon 500
(Gtep/an)
3.6
2.2
2.2
0.6
0.5
:::::J0.9
prevoir sur la base des quantites actuellement prou
vees [9, 34, 11, 37, 13]. Ces durees pourraient etre
revues a la hausse grace aux progres des techno
logies gisement (amelioration de la prospection et
des taux de recuperation), toutefois, un accroisse
ment de la consommation mondiale en energie rap
procherait de tels delais. Au niveau des reserves nu
cleaires, la consommation d'uranium naturel prevue
en 2010 est de l'ordre de 200T/Gwe, soit des be
soins de l'ordre de 80000 Tjan. Les reserves prouvees
etant estimees a 4 millions de tonnes, cela represente
environ 50 ans.
Par ailleurs, du point de vue ecologique, les res
sources fossile et nucleaire sont a l'origine de nom
breux problemes d'environnement. Les ressources
fossiles entrainent des emissions de matieres pol
luantes qui perturbent l'equilibre ecologique. La pol
lution atmospherique et l'effet de serre en sont deux
consequences directes. Le bilan de ces emissions est
recapitule dans le tableau 3 d'apres [26]. Les effets
se traduisent par une degradation de la qualite de
l'air avec les consequences sanitaires que cela im
plique ainsi qu'un rechauffement climatique induit
par l'effet de serre. Des consequences du rechauffe
ment climatique commencent a etre observees; elles
concernent la fonte des icebergs, !'elevation du ni
veau des mers, les canicules, etc[1].
Dans le domaine nucleaire, les dechets issus des
reactions de fission restent radioactifs pendant de
tres longues periodes et le stockage de ces dechets
pose un probleme majeur pour l'environnement. Par
ailleurs, un accident survenu au niveau d'une cen
trale pourrait avoir des incidences profondes sur plu
sieurs generations d'humains et d'especes animales
et vegetales avec une contamination difficilement re
versible de l'environnement.
Ainsi, a la lumiere de tous ces elements, le sys
teme d'energie actuel n'est pas viable sur le moyen
(
%)
36
22
22
6
5
:::::J9
Consommation annuelle
en 2000 Duree
(Gtep/an) (annees)
3.6 :::::J40
2.2 :::::J60
2.2 > 200
et long terme; le caractere non renouvelable des res
sources etant mis en cause. De plus, les contre-effets
climatiques paraissent etre incontr6lables du point
de vue ingenierie. Ce dernier point pousse d'ailleurs
d'emblee a remettre en cause un tel systerne. Un sys
teme d'energie de remplacement est done a etudier.
3. Systeme d'imergie a hydrogene solaire
D <1ooo D 1000 D 1soo Cl2ooo • 2soo • 3ooo
FIG. 1 - Rayonnement solaire annuel (kWh/m2jan)
L'energie solaire est une des ressources les plus
importantes sur terre. Elle est renouvelable et
son utilisation est a priori entierement ecologique.
D'apres [45], la captation du rayonnement solaire sur
0.1% de la surface du globe, grace a des collecteurs
dont le rendement serait de 20%, pourrait satisfaire
la dernande annuelle en energie de la planete. Cela
fait de l'energie solaire, une solution toute indiquee
aux problemes poses par les energies fossile et nu
cleaire.
Neanmoins, certains inconvenients sont lies a
!'utilisation de cette energie. En effet, le rayonne
ment solaire que re<;oit la terre est a la fois diffus
(environ 1kW/m2), intermittent (disponible unique
ment le jour) et non uniformement reparti selon la

L'hydrogene d'origine solaire (2003)
TAB. 3
Diffi'�rents gaz polluants et a effet de serre rejetes dans !'atmosphere
Gaz rejetes
Vapeur d'eau
Dioxyde de soufre 802
Particules de combustion
Oxydes d'azote NO,c
Composes organiques vola
tils COV
Ozone 03
Metaux toxiques (Hg, Ar,
Cd, Ni, Zn et surtout Pb)
Hydrocarbures ar6matiques
polycycliques HAP
Oxyde de carbone CO
Gaz carbonique COz
Chlorofluorocarbures CFC
Methane
Observations
Elle peut intevenir dans l'effet de serre si l'echauffement de !'atmosphere devient
important.
II produit de l'acide sulfurique avec l'humidite de !'air.
Elles sont dues surtout aux moteurs diesels, a l'usure et aux frottements.
II est du a Ia combustion des carburants et a !'action des microorganismes dans les
sols et dans l'eau.
C'est un facteur de pollution difficilement contr6lable a l'origine des pluies acides
(formation d'acide nitrique avec l'humidite de !'air) et de !'ozone tropospherique par
action du rayonnement solaire.
Contribution a l'effet de serre : 4%.
Duree de sejour dans !'atmosphere : jusqu'a 150 ans.
Ils entrent dans Ia composition des carburants et autres produits courants.
Ils se retrouvent en partie dans les gaz d'echappement ou par evaporation.
Ils sont nefastes pour Ia sante et contribuent a Ia formation de !'ozone.
II provient de Ia transformation chimique par le rayonnement solaire des NOx et
COV.
II n'est pas souhaitable a basse altitude : pluies acides, gaz agressif pour les voies
pulmonaires et les yeux ; pour Ia vegetation, il diminue le rendement des cultures.
Ils provoquent des effets toxiques dans l'organisme.
Ils sont rejetes sous forme de gaz ou de particules par les moteurs diesels et sont
tres probablement cancerigenes
II apparait lors de combustion incomplete de gaz et provient essentiellement de Ia
circulation automobile (moteurs au ralenti lors des embouteillages).
II participe egalement a Ia formation de !'ozone et se transforme en gaz carbonique.
Sa teneur dans !'atmosphere est passee de 270 a 360 ppm sur plus d'un siecle.
Contribution a l'effet de serre : plus de 50%.
Duree de sejour dans !'atmosphere : de 50 a 200 ans .
Ils sont causes par les fluides de refrigeration, les agents poussants dans les bombes
a aerosol, les agents moussants, etc.
Duree de sejour dans !'atmosphere : de 60 (CFC 11) a 120 ans (CFC 12).
II est etroitement lie a !'intensification des activites agricoles
Duree de sejour dans !'atmosphere : Une dizaine d'annees.
3
geographie, comme le montre la figure 1 sous forme
de moyenne anuelle.
De fait, pour envisager la generalisation d'un sys
teme d'energie base sur le solaire, il faut assurer une
distribution de l'energie a la fois uniforme et regu
lee. Cela necessite de developper une technologie de
stockage de l'energie solaire afin de decoupler la de
mande et la production d'energie et permettre son
transport. Celle-ci doit etre rentable et de surcrol:t
compatible avec de fortes productions.
drogene semble etre ideal. Celui-ci peut servir de car
burant aux machines thermiques grace a son pouvoir
energetique eleve (son Pouvoir Calorfique Inferieur
est plus de deux fois superieur a celui du gaz na
ture!, comme mentionne dans le tableau 4. Les pro
gres des piles a combustibles permettent aussi de
produire, par combustion electrochimique de l'hy
drogene, de l'electricite avec des rendements de 70%
[29]. La combustion de l'hydrogene avec !'oxygene
donne de l'eau sous forme vapeur, selon !'equation
Pour cela, on envisage la production de com
bustibles solaires (carburants synthetiques, i. e. hy
drogene solaire). Un combustible peut etre trans
porte par pipelines ou stocke dans des reservoirs,
pour etre achemine vers des points de consomma
tion (automobile, industrie, etc.) et restituer sa va
leur energetique. Incidemment, sa production a par
tir de l'energie solaire revient a stocker celle-ci sous
forme chimique. Comme combustible solaire, l'hy-
(1).
ou sous forme normalisee
7 kgH2 + 56.4 kg02 --t 63.4 kgH20 + 1 GJ (2)
Cette vapeur d'eau peut etre avantageusement recy
clee pour obtenir l'hydrogene. Avec l'air, la combus
tion degage des oxydes d'azote. DeLuchi [14, 48] a

TAB. 4
Prorietes physiques de l'hydrogene
Propriete
PCI
PCS
Densite gazeuse a 20,3K
Densite gazeuse a 273K
Chaleur specifique Cv
Chaleur specifique Cv
Conductivite thermique (gaz)
Chaleur d'evaporation
Energie theorique de liquefaction
Electronegativite (Pauling)
Masse atomique
Constante du gaz
Temperature de solidification
Temperature d'ebullition (a Patm )
Temperature critique
Temperature d'auto inflammation dans !'air
Temperature de Hamme dans !'air a 300 K
Energie explosive theorique
Surpression de detonation (melange stoechiometrie)
Vitesse de flamme dans !'air
Vitesse de detonation dans l'ai1·
Melange stoechiometrique dans !'air (vol.)
synthetise les resultats de plusieurs etudes d'appli
cation de I'hydrogene a des moteurs a combustion
interne et a montre que pour l'hydrogene, les quan
tites rejetees restent inferieures acelles pouvant re
sulter de !'utilisation de !'essence ou du carburant
Diesel. L'utilisation de l'hydrogene est done ecolo
gique. La figure 2 decrit un exemple d'application ou
l'hydrogene alimente une pile acombustible qui four
nit de l'energie electrique et de la chaleur (QL,T£).
Cet hydrogene est produit apartir d'un reacteur chi
mique chauffe ahaute temperature (QH,TH) grace
aun concentrateur solaire (cycle thermochimique).
Les differents procedes utilises pour la production
d'hydrogene par voie solaire seront analyses ulterieu
rement.
�-..-� �
•olah"C"�
'
FIG. 2 - Production d'hydrogene grace a l'energie
solaire (cycle thermochimique)
Il faut enfin noter que, de l'avis des experts,
le systeme d'energie ahydrogene solaire evoque ne
pourra remplacer les ressources actuelles, qu'apres
une periode de transition (estimee a au moins 30
Valeur numerique
119 930 kJ/kg (gaz nature! 50 020 kJ/kg)
141 860 kJ/kg
1.34 kgjm3
0.08988 kg/Nm3
14 266 Jjkg.K (293K)
10 300 Jjkg.K (293K)
0.1897 W/(mK)
445.4 kJ/kg
14 112 Jjg
2.1
1.0079
4 124.5 J/kg.K
14.01 K
20.268 K
33.30 K
858 K (gaz nature! 813 K)
2318 K (gaz nature! 2148 K)
2.02 kg de TNT jm3 de gaz (gaz nature! 7.03)
14.7 bars (gaz nature! 16.8 bars)
260 cm/s (7 fois le gaz natmel)
2.0 km/s (gaz nature! 1.8 km/s)
29.53% (gaz nature! 9.48%)
ou 40 ans). Pendant cette periode, d'autres sources
d'energie primaires dont les energies fossiles et nu
cleaires, pourraient etre mises a contribution pour
produire l'hydrogene (cf. figure 3), et ceci afin d'ou
vrir un marche. Cependant, les benefices ecologiques
de l'hydrogene ne pourraient etre visibles que lorsque
le systeme d'energie a hydrogene solaire achevera
d'etre completement etabli [48].
H2vecteur
d'i-nergie
FIG. 3 - Systeme d'energie a hydrogene dans sa phase
de transition
4. Production de l'hydrogene par voie solaire
L'hydrogene se retrouve dans la nature princi
palement associe au carbone (hydrocarbures, char
bon, methane ou matiere biologique) et a!'oxygene
(molecule d'eau). Pour l'isoler (sous forme de dihy
drogene), il est necessaire de casser les liaisons C-H
ou 0-H, moyennant une depense d'energie. Dans le
cas qui nous interesse, c'est l'energie solaire qui est
utilisee pour produire l'hydrogene.

L'hydrogene d'origine solaire (2003) 5
Des procedes relevant de technologies differentes
sont actuellement a !'etude pour produire !'hydro
gene solaire. Steinfeld et Palumbo [45] presentent
une synthese des differentes technologies de pro
duction d'hydrogene solaire par cycles thermochi
miques. Parmi les procedes a envisager, on trouve
par exemple la dissociation thermique directe de
l'eau [28, 29, 32, 30], la decomposition de H2S04 et
!'hydrolyse de CaBr2 et FeBr2 a partir de l'energie
solaire, la decomposition thermique de H2S en H2
et s2 pour obtenir de l'hydrogene a partir de gaz
industriels et residus de gaz naturels [36]' la reduc
tion d'oxydes metalliques, la dissociation thermochi
mique basee sur des reactions redox [44] ou encore
la decarboneisation des gaz naturels, en particulier
la decomposition thermique du methane en H2 et C
comme alternative au vaporeformage [31, 21].
Une autre voie est celle de la production directe
d'hydrogene a partir de l'energie quantique des pho
tons. On compte pour l'essentiel les cellules photo
voltaiques associees a un systeme d'electrolyse, les
cellules photoelectrochimiques, les systemes photo
biologiques ainsi que les systemes associes a la pho
todegradation [6, 7, 5]. On souhaite a present revenir
plus en detail sur ces differentes methodes.
4 . 1 Photolyse solaire de l 'eau
La photolyse solaire de l'eau est le procede par
lequel la lumiere solaire est utilisee pour dissocier
la molecule d'eau en hydrogene et oxygene. Sa mise
en ceuvre s'opere par eclairement d'un photocata
lyseur (semi-conducteur ou ensemble de molecules)
qui fournit une energie (ou tension) suffisante pour
produire une reaction de dissociation. La reaction
de dissociation est schematisee par !'equation (3);
hv correspond a l'energie It d'un photon et symbo
lise ici un processus photochimique; n est le nombre
de photons absorbes par molecule d'eau dissociee.
(3)
Le schema du processus est comme suit : le photo
catalyseur possede un certain seuil d'energie d'exci
tation E9 et une longueur d'onde correpondante >..9.
Les photons dont la longueur d'onde est superieure
a )...9 ne sont pas absorbes tandis que les photons de
longueur d'onde inferieure peuvent l'etre et alimen
ter ainsi le processus photoelectrochimique. Diffe
rentes pertes dans le processus sont alors a mention
ner : (1) les photons absorbes font passer le photo
catalyseur a un niveau d'energie superieur E > E9,
lequel a tendance a vite revenir a l'etat fondamental
d'energie E9 (trelax <lOps), ce qui a lieu sous forme
de chaleur cedee au milieu environnant; (2) lorsque
la concentration des etats excites et le taux de for
mation de produits ne sont pas equilibres, la photo
conversion d'energie perd en efficacite; par ailleurs,
au point optimum, il demeure toujours une perte par
rayonnement fluorescent du aux etats excites (cepen
dant faible : 1-2 % d'apres [5]).
Differentes configurations de systemes peuvent
etre distinguees pour realiser le processus de pho
tolyse. Balzani et al. elaborent des schemas de clas
sification ot'1 deux facteurs determinants sont pris
en compte : (1) le nombre de photosystemes utilises
pour mener le processus photoelectrochimique, note
S(single) ou D( dual) selon qu'il s'agisse d'un seul
ou de deux; (2) le nombre de photons n absorbes
pour chaque molecule de dihydrogene obtenue. Les
schemas possibles sont Sl, 82, 84, D2 et D4.
Bolton, Strickler et Connoly [8] analysent les ren
dements des differents schemas. Le rendement T/c de
photoconversion energie solaire-chimique est donne
par Bolton dans plusieurs references [5, 3]. On re
tient !'expression
!:lG�Rp
T/c =
EsA
(4)
ou P denote le produit obtenu (i. e. l'hydrogene) au
niveau du photocatalyseur apres la reaction de dis
sociation, Es represente l'eclairement solaire total
incident sur la surface d'absorption A du photocata
lyseur. On note que seule la bande spectrale de Amin
a >..9 est effectivement exploitee dans le processus
(cf. figure 4); cela contribue a limiter le rendement.
!:lG� est l'energie de Gibbs (ou enthalpie libre) de Ia
reaction de production d'hydrog€me et Rp le taux en
moles par seconde d'hydrogene pur produit dans les
conditions standards. tlG� vaut 237.2 J/mol pour
la reaction (3) a 298 K. Notons que pour calculer
T/c par cette approche, une mesure volumetrique de
l'hydrogene produit est requise.
'i
E
c:
N
IE
�
::(
w
"'
c.>
c
"'
'5
�
�
c.>
"'
c.
"'
�
"'
�
2.0
1.6
1.2
0.8
0.4
I
I
I
I
I
I
I
I
I
3!:
.21
>I
"'I
!:;I
3i 43% 52%
�� Visible Infrared
0��40
�
0
��
8
� 00
��
1 �
20�
0��
1
600.
A (nm)
FIG. 4 - Distribution spectrale Es(>..). 52% du
spectre du rayonnement incident est inexploite pour >..9
situe dans le domaine UV-visible

TAB. 5
Rendements de conversion solaire ideal J-tp et chimique (Eg- Ep)/Eg pour la photolyse de l'eau suivant les differents
schemas et pour un rayonnement de type global
Schema Tfp (%) Tfch (%)
81 5.3
82 30.7
82 23.5
82 17.4
82 12.7
84 30.6
D2 42.4
D4 41.0
D4 32.3
D4 27.1
D4 21.6
Dans la mise en oeuvre des cellules photoelectrochi
miques, il est aussi possible de raccorder aux elec
trodes un potentiel electrique exterieur Ubias. Dans
ce cas, !'expression du rendement devient
(5)
Bolton, Strickler et Connolly, cites plus haut, in
tegrent dans leur analyse les nombreux facteurs qui
peuvent intervenir dans le rendement de conversion
rJc des systemes reels. Les dicussions sont menees en
se referant a : (1) !'influence du rendement limite 'f}p
en fonction de >..9 (cf. figure 5), sachant que rJv est
defini par
(6)
avec J9 le flux de photons absorbes dans la bande
>..min a >..9, f:1ttex l'energie de Gibbs par molecule (ou
potentiel chimique) et c/Jconv calculee sur la base de
1/n; (2) l'energie chimique Uv perdue par molecule
dans le processus de conversion, sachant que cette
energie pour des systemes reels avoisine les 0.8 eV.
Des resultats pour les differents schemas sont
recapitules dans le tableau 5 dans des conditions
de rayonnement de type global afin d'eliminer
!'influence des conditions atmospheriques (vapeur
d'eau, concentrations d'ozone, etc.).
Les conclusionsdes auteurs sont les suivantes : les
systemes apparaissant les plus interessants sont S2
et en particulier D4 [4]; par ailleurs, les rendements
de ces systemes ne peuvent respectivement depasser
dans la pratique 10 % et 16%. Un systeme promet
teur de type Dual-Bed evoque par Bolton [5) consis
terait a separer (par une membrane par exemple)
les zones de production d'hydrogene et d'oxygene et
ce afin de permettre une meilleure optimisation des
deux reactions.
Energie perdue par photon Longueurs d'onde (nm)
(eV) Ag ou AI AI
0.49 420
0.37 775
0.60 680
0.80 610
1.00 555
0.31 1340
0.38 655 930
0.31 910 2610
0.60 785 1465
0.80 720 1120
1.00 655 925
0.4 ,.--------�--�------,
0.3
�
c
·o 0.2
E
..
0.1
0.38 eV
S2 S4
134 nm
0 ��---�-----------��
300 500 700 900 II 00 1300 1500
wavelength/om
FIG. 5 - Rendements de Ia conversion en energie de
Gibbs pour les schemas de type S. Les !ignes verticales
correspondent aux conditions ideales ; les courbes
descendantes relient les points Up (eV) > Uoptimum
Considerant les progres accomplis dans le procede
photoelectrochimique, ceux-ci sont considerables re
lativement aux premieres experiences de Fujishima
et Honda (1972) [16). Ainsi, des rendements de 13
% ont pu etre obtenus avec des cellules utilisant
une photocathode de type p-InP sur laquelle est
deposee du Pt. Les cellules a photoanode en semi
conducteurs de type n-CdS, n-Ti02 et n-SrTi03,
ont donne des rendements de 10%.
Les voies de developpement concernent alors
!'amelioration de !'absorption lumineuse soit par
la modification de la structure du semi-conducteur

ou par couplage avec des structures photosensibles
comme des films colorants qui absorbent une par
tie plus large du spectre lumineux; la protection du
semi-conducteur contre la corrosion acqueuse neces
site aussi d'etre amelioree avec l'emploi de films pro
tecteurs. Notons qu'un systeme de type Dual-Bed est
experimente par les suisses; celui-ci comprend une
anode en couche mince de W03 polycristallin et une
cathode en Ti02. Des travaux de developpement sur
ce systeme sont axes sur la recherche de nouveaux
materiaux d'electrodes comme !'hematite (Fe203)
et AgCl pour !'anode ou encore sur le developement
de pigments organiques.
Une voie parallele est aussi developpee; elle
consiste en un systeme integre comprenant une cel
lule photovolta"ique et un electrolyseur. Deux types
de cellules photovoltaiques (AsGajGainP2 et a
Si) ont pour cela ete couples a une cellule d'elec
trolyse alcaline avec des electrodes en platine et ont
donne un rendement global respectivement de 16%
et 7.8%.
4 . 2 Photoelectrolyse de l 'eau
L'electrolyse consiste adissocier l'eau en hydro
gene et en oxygene au moyen d'un courant electrique
continu traversant un electrolyte dispose entre deux
electrodes : !'anode et Ia cathode. Pour fournir le
courant electrique, deux possibilitees sont envisagees
comme le montre le schema de Ia figure 5.
Cellule solaire--------> Energie Clectrique ------>Elcctrolyse-->H2
I A
Energie solaire
I I
I
I Vapeur I
Capteur solaire --------->Turbine
FIG. 6 - Schema d'obtention, a partir de l'energie
solaire, d'energie electrique pour l'electrolyse
Dans le cadre de la photoproduction d'hydrogene
solaire, !'option qui nous interesse est celle ot"1 des eel
Jules solaires sont employees pour fournir le courant
electrique; cette option est aussi Ia plus couramment
developpee parmi les techniques de photoproduction
du fait des rendements realises par les cellules pho
tovoltaiques (> 15 %) et les electrolyseurs (> 75 %).
La reaction electrochimique s'ecrit
aIa cathode, 4H20 + 4e -+ 2H2 + 4 0H- (7)
soit
a!'anode, 40H- -+ 2H20 + 02 + 4e (8)
2H20 + (Electricite) -+ 2H2 + 02 + (Chaleur)
(9)
Cette reaction de decomposition necessite un apport
d'energie electrique, dependant essentiellement de
l'enthalpie et de l'entropie de reaction. Le potentiel
theorique de la decomposition est de 1.481 v a298
K. Les valeurs classiques des potentiels des cellules
industrielles sont de l'ordre de 1.7 a 2.1 v, ce qui
correspond a des rendements d'electrolyse de 70 a
85 %. La consommation electrique des electrolyseurs
industriels (auxiliaires compris) est generalement de
4 a6 kWh/Nm3H2 , et il convient d'eliminer en per
manence la chaleur degagee liee aux irreversibilites.
Les differents types d'electrolyseurs utilises pour
operer (9) sont
1. Les electrolyseurs alcalins a basse tempera
ture : !'electrolyte est une solution alcaline
(KOH) atemperature de 70 a145 C; le rende
ment varie de 77 a91 %, Ia consommation de
3.6 a4.9 kWh/Nm3H2 et la pression en sortie
se situe entre 1 a40 bars;
2. Les electrolyseurs ahaute temperature : !'elec
trolyte est une membrane en ceramique Y203
conductrice d'ions 02
-; Ia temperature de
fonctionnement varie de 800 a 1000 c, le
rendement energetique de 90 % a 100 %
et la consommation electrique de 3.9 a 4.2
kWh/Nm3H2 . La pression de sortie varie de
1 a30 bars;
3. Les electrolyseurs aelectrolyte polymere solide
(SEP ou MEP) : !'electrolyte est une mem
brane polymere solide avec une couche de ca
talyseur de chaque cote. Ces deux couches
agissent en tant qu'anode et cathode de Ia
cellule electrochimique. Le proton passe d'un
groupe sulfonique a un autre sous !'influence
d'un champ electromoteur, produisant !'hydro
gene ala cathode. Les etapes successives sont
comme suit : dissociation de l'eau et produc
tion de !'oxygene; echange de proton atravers
Ia membrane solide; conduction d'electron par
!'alimentation d'energie et enfin formation de
l'hydrogene. Notons qu'a hautes temperature
et presssion, la consommation de la MEP est
reduite et les rendements sont ameliores.
Il convient aussi de mentionner l'electrolyse sur
membrane alcaline, connue sous le nom de IMET
(Inoryanic Membrane Electrolysis Technology) , avec
plusieurs dizaines d'unites de petite capacite com
mercialisees depuis 1989.
En pratique, l'electrolyse industrielle retient en
general !'option de !'electrolyte a solution aqueuse
d'hydroxyde de potassium dont la concentration va
rie en fonction de Ia temperature (typiquement de
25 % en masse a80 C jusqu'a40 % a160 C). Pour
les electrolyseurs de petite capacite, differentes choix
(dont la MEP) peuvent etre faits selon le construc
teur.
Notons par ailleurs que l'eau introduite doit etre
Ia plus pure possible car les impuretes demeurent
dans l'equipement et s'accumulent au fil de l'elec
trolyse, perturbant in fine les reactions electroly
tiques par formation de boues et action des chlorures
sur les electrodes. Une specification importante sur

l'eau porte sur sa conductivite ionique (inferieure a
quelques p,Sjcm).
Concernant les applications actuelles, on peut ci
ter l'exemple d'une compagnie de bus californienne,
qui opere depuis Juillet 2000 plusieurs unites de pro
duction d'hydrogene, dont deux electrolyseurs de
technologies alcalines. L'un des electrolyseurs est
couple a un ensemble photovoltaique, d'une puis
sance nominale de 37 kW, ce qui permet une pro
duction renouvelable d'hydrogene. Celui-ci alimente
une fl.otte limitee de vehicules ahydrogene, ainsi que
deux bus fonctionnant avec de l'Hythane, melange
d'hydrogene (15 % en volume) et de gaz naturel.
Les perspectives economiques de la photoelectro
lyse sont en fait directement reliees au cof1t du kW
photovoltalque; les chiffres annonces varient selon
les auteurs : entre 10 a40 $fGj et 15 a25 $fGj.
4 . 3 Autres systemes de photoproduction
Partant de [5], on analyse ici tres brievement,
ce en quoi consiste les autres procedes de photopro
duction d'hydrogene. On a ace sujet (1) !'utilisation
de systemes photochimiques, en mettant en ceuvre
des demi-reactions de reduction ou d'oxydation, ou
encore plus rarement des reactions completes (Ka
takis et al. , 1992,1994) a partir de certaines mole
cules de type EDTA, MV2+ , etc. (2) !'utilisation de
systemes photoelectrochimiques micro heterogenes.
Dans ce procede le semi-conducteur prend la forme
de fines particules en suspension dans un solvant (en
general une solution acqueuse); cela est notamment
decrit par Kalyanasundaram (1987); (3) !'utilisa
tion de systemes photobiologiques. Dans ce cas, des
organismes photosynthetiques operent dans la na
ture une vaste production de combustibles, stockant
du coup l'energie du soleil. Il s'agit alors davantage
d'une reduction du C02 en hydrates de carbone que
d'une production d'hydrogene proprement dite, tou
tefois il est possible de mettre en place des conditions
tel que le processus photosynthetique en question
soit couple aun enzyme du type hydrogenase ou ni
trogenase. On peut consulter a ce sujet les etudes
de Greenbaum (1988), Benemann (1994) ou Markov
et al. (1995). Les microalgues (algue verte, cyano
bacteria) demeurent par ailleurs les systemes pho
tobiologiques les plus efficaces avec un rendement
avoisinant 10 %; (4) !'utilisation de systemes hy
brides, ce qui consiste, dans le cadre des systemes
photoelectrochimiques en la combinaison de mole
cules et semi-conducteurs et (5) la mise en ceuvre de
systemes aphotodegradation. Il s'agit lade valori
ser la destruction de substrats organiques tels que
polluants.
4-4 Production a partir de l 'energie thermique
L'hydrogene peut etre produit al'aide de cycles
thermochimiques. Ces cycles sont des reactions de
dissociation, fortement endothermiques, ou des re
actants tels gaz naturels (dont methane en particu
lier) ou eau sont dissocies afin de produire, entre
autres, de l'hydrogene. Incidemment, l'energie ther
mique du rayonnement solaire est convertie en i'mer
gie chimique qui est celle du combustible produit.
La chaleur importante a fournir aux reactions
de dissociation requiert des temperatures tres ele
vees (2500 K pour la dissociation thermique directe
de l'eau), aussi on assode aces procedes, des cap
teurs solaires a forts ratios de concentration. Tou
tefois, etant donne les contraintes liees a !'obten
tion de telles temperatures (contraintes techniques,
sur le gisement solaire, etc.), !'utilisation de cycles
multi-passes, consistant en une suite de reactions
chimiques dont le bilan correpond ala dissociation
recherchee, permet de travailler ades temperatures
de reactions intermediaires plus basses.
Les 1ec et 2nd principes de la thermodynamique
sont appliques a l'etude des transformations ther
mochimiques : Le 1ec principe determine le mini
mum d'energie solaire requis pour produire un com
bustible ou une espece chimique particuliere; dans
notre cas, il s'agit de l'hydrogene. Le 2"d principe
informe, entre at1tres, sur la possibilite ou non, de
mettre en oeuvre physiquement une transformation
donnee, afin de produire le combustible.
Un cycle thermochimique elementaire peut etre
schematise par la transformation
reactants -+ produits (10)
L'energie totale necessaire ala reaction chimique
(10) equivaut ala variation d'enthalpie de reaction
b:..Hrxn; celle-d est egale a la variation d'energie
libre (de Gibbs) de la reaction D..Grxn (energie non
degradee, electrique par exemple) plus la quantite,
sous forme thermique (solaire), TD..srxn, necessaire
acompenser les irreversibilites .
Energie
FIG. 7 - Variations de �Hrxn, �Grxn et T�Srxn avec
la temperature

D..Grxn decroit avec la temperature, comme le
montre la figure 7. De ce fait, le rapport
D..Grxn/TD..srxn (travail sur energie thermique) de
croit aussi lorsque la temperature augmente; pour
D..Grxn < 0, la reaction (10) procede spontanement
dans le sens de droite, pour une certaine quantite de
chaleur fournie.
Un modele thermodynamique (1e, et 2nd prin
cipes) pour l'etude des performances de la produc
tion thermochimique solaire, tire de [45] d'apres
Steinfeld et Palumbo (cf. §.4), est ici presente.
Dans ce modele, un cycle complet est consi
dere depuis la dissociation des reactants en pro
duits a la recombinaison des produits en reactants,
comme l'illustre la figure 8. Ce cycle procede comme
suit : (1) le rayonnement solaire Es est concentre
au niveau d'un recepteur a temperature TH' et cela
compte tenu des pertes thermiques (rayonnement re
flechi); (2) les reactants, entrant a temperature am
biante TB donnent apres reaction, des produits, sor
tant a temperature TH; (3) une quantite de chaleur
Qe est alors extraite des produits entre TH et TB;
(4) les produits a temperature TB alimentent une
pile a combustible supposee ideale qui fournit alors
un travail WFC et une quantite de chaleur QFe a
partir de la reaction de recombinaison des produits
en reactants a temperature TB.
Reactants
@To
w.-c
Q,-c
FIG. 8 - Schema d'un cycle thermochimique solaire
ideal pour le calcul de l'exergie
Dans cette analyse, on considere en premier lieu
le rendement d'absorption du concentrateur. Pour
les systemes a hautes temperatures (> 1000 K), le
recepteur du concentrateur consiste en une cavite
isolee thermiquement destinee a recevoir le rayonne
ment solaire concentre, par un petit orifice, en vue de
minimiser les pertes par reflexion. Sur cette base, le
rendement est donne par la relation (11) en fonction
du rayonnement solaire incident Inormal a la sec
tion de !'orifice Aarifice, de la constante de
_
Stefan
Boltzmann u et du ratio de concentration Cdonne
par la relation (12).
uT4
'T/abs = 1- !!
IC
C=
Qorifice
IAorifice
(11)
(12)
Le rayonnement solaire absorbe fournit alors, la cha
leur necessaire a la reaction endothermique de dis
sociation; le rendement de conversion de l'energie
solaire en energie chimique est ensuite donne par
l'exergie tel que
nD..Grxn1298K
'f/exergie =
Es
avec n le debit molaire de reactants.
(13)
Pour determiner la limite maximale de cette exer
gie, il faut appliquer le 2nd principe de la thermody
namique. Considerons cette approche du probleme
consistant a dire que le cycle thermochimique sert
au final, a produire de l'energie chimique (correspon
dant a un travail Wpc et de la chaleur Qpc produits
a TB) a partir d'une energie thermique (degradee).
Alors, le rendement de conversion est necessairement
limite par le rendement de Carnot d'une machine
thermique equivalente entre les temperatures TH et
TB et de ce fait on peut ecrire
'TJexergie,max = 'T/abs X 'T/Carnot
(14)
Par consequent, un compromis est a trouver sur la
temperature TH afin d'assurer un rendement de Car
not maximal avec le mains de pertes sur l'absop
tion. La temperature maximale que peut donner le
concentrateur, notee T8t, est donnee par
_ (IC)o.25
Tst- -
(J
(15)
A cette temperature tout rayonnement rec;u est aus
sit6t reflechi, ce qui correpond a une exergie nulle
'TJexergie,max = 0 (en effet, aucune chaleur n'est
transmise au processus chimique). La temperature
optimum Topt se situe en dec;a de Tst et est obtenue
en posant
8'T}exergie,max
= O
8T
(16)
ce qui revient a resoudre !'equation
(17)
avec a l'absorptivite et E l'emissivite du recepteur.
La resolution numerique de !'equation (17) donne les
resultats de la figure 9 ou l'on retrouve les tempe
ratures Tapt pour les differents ratios 1000,5000, · · ·
40000 en assimilant le recepteur a un corps noir; ces
temperatures chutent quelque peu lorsque les pertes
par conduction et convection au niveau du recepteur
sont incluses.

'llexcrgy,idclll
Camot
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 ��--��--�--��--��--�J_�
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 400(
Temperature IKI
FIG. 9 - 1Jexergie,ma:c en fonction de Tn et C pour un
recepteur ideal (corps noir)
L'expression de l'exergie (< T/exergie,max) compte
tenu que
est
avec
w - · LlGI
FC - n produitsTB �rea.c:ta.ntsTB
Qpc = -TB nfls iP''oduitsT8-->,'eactantsT8
(18)
Wpc
T/exergie =
Es (19)
Wpc = Es-(Qreflechi + Qe + Qpc) (20)
On peut recapituler le bilan des irreversibilites
produites au niveau du reacteur : Irrreacteur et
consecutives au passage des produits de TH aTB :
Irre, et verifier que l'on retrouve bien le rendement
de Carnot. Pour cela on a
I
(-Es) (Qreflechi )
rrreacteur =
TH
+
TB
ainsi que
+ri�s lreactantsT8---4-produitsTH (21)
Le rendement maximal qui doit correspondre au ren
dement de Carnot est alors donne par
Le present modele thermodynamique est appli
cable a tous les cycles thermochimiques bases sur
l'energie solaire. L'exergie obtenue par cette ap
proche, permet de definir le potentiel (i. e. cout) in
dustriel des procedes : Au plus que l'exergie est ele
vee, relativement ala limite maximale [donnee par
(14)], au plus que la surface de captation solaire est
reduite au vu d'une production de combustible so
laire, asavoir l'hydrogene, donnee. Aussi et partant
de ce modele, on peut se faire une idee des per
formances des principaux procedes thermochimiques
envisages pour produire l'hydrogene solaire.
Quelques procedes de la production thermochi
mique sont donnes dans ce sens.
4 . 5 Dissociation thermique directe de l 'eau
La dissociation thermique directe de l'eau, ou
thermolyse, est operee a des temperatures elevees
(2500 K) apartir de la vapeur d'eau avec des precau
tions importantes quant ala recombinaison (explo
sive) des produits dissocies. La separation de l'hy
drogene peut etre faite par diffusion (Fletcher et
Moen, 1977) en utilisant une membrane poreuse au
regime d'ecoulement de Knudsen (theorie cinetique
des gaz), par le procede catalytique (Thara, 1980;
Fletcher, 1999) ou par separation abasse tempera
ture (Diver et al. 1983; Lede et al. 1987) apres refroi
dissement rapide par injection de gaz froids ou par
detente dans une tuyere. Cette derniere methode in
troduit neanmoins un degre eleve d'irreversibilites,
malgre son efficacite a empecher la recombinaison
des produits [29].
Des travaux interessants sur la dissociation ther
mique solaire directe de l'eau a haute temperature
ont ete menes par Kogan (28, 29, 32, 30] al'institut
scientifique Weizmann, Israel. Dans ces travaux, un
systeme adouble concentrateur est utilise (cf. figure
10) pour obtenir des temperatures de l'ordre de 2500
K. Pour resister aces temperatures, du zirconium est
employe au niveau du recepteur (reacteur).
FIG. 10 - Capteur solaire a double concentrateur

Plaque metalliquc
rcfroidie it l'eau
Entree del
Ia vapeur
Vers pompc il ------+I(@Jt�
hydrogene
FIG. 11 - Section droite du reacteur
Dans de telles conditions, une dissociation par
tielle est alors observee avec formation d'un melange
de H20, HO, H, 0, H2 et 02• La separation de l'hy
drogene et de l'oxygene se fait par diffusion des gaz
a travers une membrane ceramique poreuse de zir
conium, choisie eu egard au rapport eleve des poids
moleculaires de l'oxygene et de l'hydrogene. Les de
tails du reacteur, oil est operee la dissociation, sont
donnes par le schema de la figure 11.
Les evaluations theoriques menees par l'auteur
[28], sur la production d'hydrogene, donnent un de
bit molaire d'hydrogene H de 0.0055 molfs, pour
les conditions : ecoulement de Knudsen; debit mas
sique d'alimentation en eau, unitaire; temperature
de 2500 K; pression des gaz diffuses et non diffuses
de respectivement 0.005 bars et 0.05 bars et pour
centage de diffusion de 50 %. En pratique, les tests
effectues ont aboutis ades productions d'hydrogene,
de 20 %, superieures aux predictions theoriques, ce
qui correspond aussi aune dissociation de l'eau, de
25 %. Aussi et d'une maniere generale, il a ete ob
serve que le rendement thermodynamique du reac
teur augmentait avec !'augmentation de la tempera
ture de reaction et la diminution de la pression en
amont de la membrane poreuse separatrice.
Les perspectives en vue d'ameliorer les rende
ments du procede sont optimistes; elles concernent
essentiellement le developpement de membranes po
reuses plus performantes et conservant leur permea
bilite [30] ainsi qu'une evacuation appropriee, par le
biais d'injecteurs, de la vapeur non dissociee [32].
Toutefois et d'une maniere plus generale, les hautes
temperatures necessaires ala dissociation thermique
directe posent encore de serieux problemes : d'une
part le rendement d'absorption etant limite acause
des pertes radiatives importantes, il y a diminution
de l'exergie du cycle; d'autre part, des contraintes
importantes pesent sur les materiaux utilises. Ces
problemes sont al'origine d'une orientation des re
cherches vers la voie des cycles thermochimiques
multi-passes.
4 . 6 Cycles thermochimiques multi-passes de disso
ciation de l 'eau
Ces cycles permettent de pallier aLx problemes
lies aux temperatures elevees et aux techniques de
separation H2/02 que necessite la dissociation ther
mique directe.
Le processus thermochimique multi-passes le
plus simple correpond aux cycles a deux etapes,
schematise pas les transformations suivantes
H20+A ---+ B+H2 a T1
B ---+ 1/202+A a T2
(24)
A et B sont des intermediaires reactionnels (hy
drures, oxydes ou metaux) choisis tels que les tem
peratures T1 et T2 soient les plus faibles possibles.
Differents cycles (deux etapes et plus) ont ete etu
dies pour cela. On peut citer, sans etre exhaustifs, les
cycles qui utilisent des chlorures ferreux, les cycles
fondes sur la dissociation du sulfate de magnesium
ou d'oxydes metalliques (CdO, ZnO) ou encore les
cycles bases sur la decomposition de l'acide sulfu
rique.
Les difficultes liees aces cycles sont nombreuses;
elles concernent principalement : (1) les bilans de
matiere et les avancements incomplets de reactions
impliquant une derive dans le temps du cycle, suite
aux irreversibilites; (2) la necessite d'un taux de re
versibilite par passe extremement eleve, et (3) les
difficultes liees al'emploi de certains composes chi
miques (reactions secondaires, corrosion).
Steinfeld [44] retient un cycle thermochimique a
deux passes base sur les reactions redox de Zn/ZnO.
La premiere passe est une dissociation endother
mique de ZnO(s) en Zn(g) et 02 a2300 K en util
sant de l'energie solaire concentree
ZnO ---+ Zn+0.502 (25)
La seconde passe, exothermique consiste en l'hydro
lyse de Zn(l) a700 K pour former H2 et ZnO(s);
ce dernier est separe naturellement pour etre recycle
dans la premiere reaction.
Zn+H20 ---+ ZnO+H2 (26)
L'hydrogene et l'oxygene sont done obtenus adiffe
rentes passes, ce qui elimine la necessite d'un pro
cede de separation de gaz ahaute temperature. une

analyse basee sur le second principe de la thermody
namique a montre une exergie maximale de conver
sion de 29 % pour une temperature en cavite du
recepteur de 2300 K et un ratio de concentration
correpondant de 5000.
Une analyse economique menee par l'auteur sur
la base d'une large installation disposant d'un re
acteur solaire de 90 MW et consistant en une pro
duction d'hydrogene au niveau de l'hydrolyseur de
61 millions de kWh/an, indique qu'il est possible
d'atteindre un cout de l'hydrogene solaire se situant
entre 0.13 et 0.15 $/kWh, ce qui semble competi
tif devant les autres procedes de production renou
velables tels que l'electrolyse a partir d'electricite
d'origine solaire.
Par ailleurs d'autres paires redox telles que
Ti02/Ti0x , Mn304/MnO et Co304jCoO ont
aussi ete experimentes, mais ont aboutis a une faible
production d'hydrogene.
Concernant les cycles multipasses, Serpone et al.
considerent un cycle a trois passes base sur la de
composition thermique de H2S04 a 1140 K et un
cycle a quatre passes base sur !'hydrolyse de CaBr2
et FeBr2 a 1020 K et 870 K respectivement. Ces
cycles presentent une exergie limitee a cause des ir
reversibilites associees au transferts de chaleur et a
la separation des gaz.
4 . 'l Decarboneisation des gaz naturels
Le vaporeformage des gaz naturels, en particu
lier du methane, est le principal procede utilise ac
tuellement pour produire l'hydrogene. Ce procede
qui peut etre schematise par la reaction (27) contri
bue fortement aux emissions de C02 dans !'atmo
sphere (environ 7 tonnes de C02 par tonne de H2
produit)[31] et de fait conduit a chercher une solu
tion de rechange.
Des etudes comparatives ont ete menees par Stein
berg et Cheng (43] a propos des differents procedes
de production d'hydrogene a partir des carburants
fossiles et ant montre l'interet de recourir a la de
composition thermique des gaz naturels. Cette me
thode consiste, a partir d'un apport d'energie (so
laire, arc a plasma...etc), a decomposer dans un reac
teur chimique le methane en carbone (co-production
de charbon) et hydrogene.
Les possibilites de la methode ont ete discutees
par Sandstede [41] et Fulcheri et Schwab [17]. Dif
ferents procedes techniques peuvent etre envisages
dans le sens de la decomposition thermique tant que
le ratio !fJ n'est pas tres eleve (composants carbones
hors gaz naturels et hydrocarbones), ceci pouvant
engendrer des pertes enegetiques [21].
A ce titre, le rayonnement solaire concentre peut
etre utilise pour alimenter en energie le procede de
decompostion thermique. En pratique et pour le me
thane par exemple, la decomposition thermique est
operee dans un reacteur situe au niveau d'un concen
trateur solaire et parcouru par le gaz a decomposer
ainsi que des gaz auxilliaires. Une fenetre est dis
posee a la paroi du reacteur pour que le rayonne
ment solaire atteigne le methane et permette ainsi
a la reaction chimique de dissociation d'avoir lieu.
Cette irradiation directe des reactants est tres avan
tageuse dans le sens oil elle permet un transfert effi
cace d'energie directement a l'endroit de la reaction
en remediant ainsi aux limitations dues a l'emploi
d'echangeurs de chaleur [21]. La decomposition du
methane produit alors de l'hydrogene et du carbone
selon la reaction
(28)
La proportion de methane non reactant que l'on no
tera XcH4 depend de la pression et de la tempera
ture a l'interieur du reacteur
'
comme le montre la
figure 12.
...
J:
(.)
X
T (K)
FIG. 12 - Dissociation thermique du methane
XcH4 en fonction de P et T.
Par ailleurs, dans une experience de demonstra
tion conduite recemment. un reacteur tubulaire ae
rosol a quartz de 25mm de diametre a ete utilise avec
du CH4 sous forme vapeur diluee a 5% et entoure par
de l'argon gazeux. Le reacteur chimique a ete Soumis
a un flux solaire de 2400 kW/m2 et une dissociation
du methane d'environ 90 % a ete observee. Les par
ticules de carbone en suspension dans le reacteur ont
en fait la propriete de favoriser un transfert de cha
leur important en absorbant le rayonnement solaire
concentre.
Toutefois, un des problemes techniques majeur
lie a ces reacteurs se situe au niveau de l'ecran a

travers lequel affiue le rayonnement solaire. En effet,
les particules de carbone g€merees apres la reaction
de dissociation qui sont irradiees par le rayonnement
solaire et portees aincandescence, y adherent et le
detruisent par surchauffe.
Un reacteur de type vortex a ete developpe au
Weizmann Institute of Science, Israel pour remedier
ace probleme [31]. Ce reacteur est schematise par
la figure 13.
FrG. 13 - Schema d'une section droite du reacteur de
type vortex pour Ia decomposition thermique solaire du
methane
On notera enfin que d'une mamere generale et
d'un point de vue thermodynamique, l'exergie maxi
male dans le procede de decomposition thermique
solaire du methane se situe theoriquement aux en
virons de 35 % pour une temperature de 1500 K au
niveau du reacteur (cavite du recepteur) et un ra
tio de concentration de 1000; elle chute a21 % si la
chaleur des produits sortants du reacteur n'est pas
recuperee; on peut se referer pour cela au modele
schematise sur la figure 8.
4 . 8 Systeme hybride d'electrolyse a haute tempera
ture
Pour achever d'exposer les differentes techniques
de production d'hydrogene solaire, on souhaite pre
senter, en rupture avec les autres methodes, un sys
teme de production d'hydrogene solaire conc;u et ex
perimente aux USA par Veziroglu et al. [49]. Ce
systeme permet une augmentation des rendements
grace a l'emploi de collecteurs hybrides associes a
un electrolyseur ahautes temperatures. Son schema
de principe est decrit comme suit : lorsque la tem
perature de l'eau augmente, l'energie electrique ne
cessaire a operer l'electrolyse se trouve diminuee;
lorsque de la vapeur d'eau ahaute temperature est
utilisee ala place de l'eau, l'energie electrique dimi
nue encore davantage. Ainsi, une quantite d'energie
sous forme degradee (chaleur) est utilisee pour re
duire la quantite d'energie sous forme noble (travail
electrique) requis a mener l'electrolyse. Un synop
tique du systeme est donne par la figure 14.
FIG. 14 - Systeme hybride de production d'hydrogene
solaire a haute temperature
Sur ce schema, on obsreve que l'energie du rayon
nement solaire est captee au niveau du collecteur
hybride. Une partie de cette energie est convertie en
courant continu grace ades cellules photovoltaiques;
le courant electrique produit sert aalimenter l'elec
trolyseur ahaute temperature. Une autre partie est
convertie en chaleur qui est utilisee pour vaporiser
l'eau. La vapeur d'eau obtenue ahautes temperature
et pression est dirigee, de maniere regulee a l'aide
d'un systeme de stockage, vers l'electrolyseur, tan
dis que la chaleur en exces est sensee etre valorisee
au niveau d'une installation industrielle.
L'experimentation aete simultanement menee en
des endroits ou les ressources solaires sont variables
(Atlanta, Boulder, Miami, Phoenix, Salt Lake City).
Les collecteurs utilises ont ete par ailleurs munis
de systemes de poursuite solaire selon six variantes
concernant la poursuite (2D, rotation autour de l'axe
Nord-Sud parallele al'a.xe de la terre, rotation au
tour de l'axe Nord-Sud parallele au cercle longitudi
nal, rotation autour de l'axe azimuthale a hauteur
fixe et rotation autour de l'axe Est-Ouest). Les resul
tats obtenus montrent que le systeme hybride base
sur l'electrolyse ahaute temperature est plus perfor
mant que le systeme d'electrolyse acellules photo
voltai:ques classique (basse temperature). Du point
de vue de la production d'hydrogene, les avantages
du systeme hybride par rapport au systeme classique
sont d'apres les auteurs : une efficacite accrue de 27
% pour une temperature d'electrolyse de 200 C, 45
% pour une temperature d'electrolyse de 600 C et
63 % pour une temperature d'electrolyse de 1000 C.
Par ailleurs, en tenant compte de la co-generation
de chaleur, le systeme hybride atteint 198 % d'effi
cacite supplementaire par rapport au systeme clas
sique. D'autres conclusion relatives au systeme de
poursuite montrent que la configuration en poursuite
2D demeure la plus efficace. Enfin, au regard du lieu
d'experimentation, il a d'une maniere generale ete
degage que au plus que les valeurs de la latitude, de
l'humidite, de la vitesse du vent sont faibles, que les
valeurs de la hauteur, de la temperature, de l'indice
de clarte du ciel et de rayonnement sont elevees, au

plus que le rendement de production d'hydrogene est
eleve.
5. Stockage de l'hydrogi'me
II a deja ete souligne le role determinant que joue
le stockage dans la viabilite d'un systeme a energie
solaire. Avec la production d'hydrogene solaire, c'est
un stockage sous forme chimique de l'energie solaire
qui est envisage et cela ne peut etre realise qu'en se
dotant de systemes economiques et fiables capables
d'assurer le stockage du gaz d'hydrogene produit.
A ce propos, plusieurs references [38, 27] montrent
bien que cela constitue le point decisif d'un systeme
d'energie base sur l'hydrogene, en l'occurence so
laire.
Les techniques de stockage utilisees dans le cas
des gaz naturels et industriels, peuvent etre envi
sagees pour le stockage de l'hydrogene. Ces tech
niques consistent d'une part en la liquefaction de
l'hydrogene en vue d'un stockage dans des reservoirs
cryogeniques et d'autre part en la compression de
l'hydrogene en vue d'un stockage a haute pression.
Une autre solution consiste a utiliser le phenomene
d'adsorption de materiaux poreux carbones ou d'hy
drures metalliques pour contenir I'hydrogene.
Dans le cadre de notre systeme d'energie a hy
drogene solaire, une analyse de ces differentes voies
est presentee.
5. 1 Stockage de l 'hydrogene liqv.ide
La liquefaction utilise l'importante variation de
densite entre les etats gazeux et liquide (a tempera
ture adequate pour une pression du liquide proche
de la pression atmospherique). Les cycles de liquefac
tion de l'hydrogene les plus simples sont le cycle de
Linde ou la detente Joule-Thompson. La liquefaction
par le cycle de Linde exige un refroidissement prea
lable au moyen d'azote liquide ou bien !'utilisation
d'une turbine pour refroidir la vapeur a haute pres
sion. Les cycle de Claude ainsi que de Haylandt sont
aussi utilises; ils utilisent des echangeurs de chaleur
supplementaires et davantage de compresseurs et de
turbines pour diminuer le travail de liquefaction.
A cause de la tres basse temperature de lique
faction de l'hydrogene (20 K sous la pression atmo
spherique), le stockage de l'hydrogene liquide est peu
economique (a titre d'exemple, le prix de l'hydrogene
liquide envisage comme combustible de transport est
deux fois superieur a celui de l'hydrogene produit a
l'etat gazeux [2]). Les raisons sont d'une part, le cout
eleve de l'energie consommee pour la liquefaction (il
faut fournir 3.228 kWh/kg pour liquefier l'hydrogene
contre 0.207 kWh/kg pour la liquefaction de l'azote
par exemple [33]); d'autre part, le cout important
des reservoirs aptes a contenir l'hydrogene pour de
longues periodes.
Ce cout decoule du fait que le stockage de l'hy-
drogene liquefie necessite des reservoirs cryogeniques
performants, eventuellement munis d'une paroi rem
plie d'azote liquide. Ces reservoirs ont une forme ge
neralement spherique afin de minimiser le rapport
surface sur volume et reduire du meme coup le trans
fert de chaleur. Cependant, une isolation thermique
optimale est insuffisante car une generation interne
de chaleur peut avoir lieu dans le reservoir, entral:
nant une augmentation dans la complexite de !'ins
tallation.
Pour comprendre cela, il faut considerer un pa
rametre lie a la nature de la molecule de dihydro
gene. La molecule de dihydrogene se presente sous
deux formes : le para-hydrogene p - H2 et l'ortho
hydrogene n - H2 selon respectivement l'antiparalle
lisme et le parallelisme des spins nucleaires des deux
atomes H constituant la molecule. A la temperature
ambiante, la teneur a l'equilibre est de 25% de p-H2
et 75 % de n - H2; pour une temperature de 20 K la
teneur a l'equilibre est voisine de 100 % de p-H2 . In
cidemment, le probleme qui se pose est le suivant : la
conversion d'ortho-hydrogene en para-hydrogene est
exothermique (527 kJ/kg) et Ia chaleur de conver
sion a 20 K est legerement superieure a l'enthalpie
de vaporisation de l'hydrogene; lorsque l'hydrogene
est liquefie, la temperature passe rapidement de 300
K a 20 K, correlativement, la conversion de l'ortho
hydrogene en para-hydrogene necessite, en I'absence
de catalyseur, un temps plus long (plusieurs jours)
avant d'atteindre l'equilibre. De fait, la conversion se
poursuit apres entrepot de l'hydrogene dans le reser
voir et equivaut a une generation interne de chaleur
entral:nant !'evaporation d'une quantite importante
de liquide (plus de la moitie de la quantite initiale).
Pour eviter ces pertes on dispose dans le liquefac
teur un catalyseur performant (du charbon actif ou
de l'oxyde ferrique) et on absorbe la chaleur degagee
en refroidissant, en general a l'azote liquide. Cette
etape supplementaire dans la preparation de l'hy
drogene liquide se repercute sur le cout global du
stockage par liquefaction.
5. 2 Stockage par compression
Le stockage par compression est le procede par
lequel le gaz est conserve, pressurise dans des reser
voirs plus ou moins robustes. Ce procede est plus
aise a mettre en o:mvre que le stockage par lique
faction, toutefois la densite de l'hydrogene obtenue
reste tres inferieure de celle de l'hydrogene liquide.
Ainsi, a une pression de 1 bar, la masse volumique
de l'hydrogene liquide a 20 K est de 71.1 kg/m3;
pour l'hydrogene a 293 K, elle est de 0.0827 kg/m3
a 1 bar, 14.49 kg/m3 a 200 bars et 23.66 kg/m3 a
350 bars. Par consequent, pour avoir une energie dis
ponible par m3 importante, il est necessaire d'aug
menter les pressions de stockage et done le travail de
compression.

Cependant, des pressions de stockage elevees en
tral:nent davantage de contraintes appliquees au re
servoir. Incidemment, la resistance du reservoir im
plique une augmentation de son poids avide, d'ou
limitation du poids supplementaire d'hydrogene a
stocker. Cela fait du stockage par compression, un
procede reserve ades quantites relativement mode
rees d'hydrogene.
Pour mettre a l'epreuve les possibilites du sto
ckage par compression, on peut examiner le cas d'ap
plication automobile, sachant que les perspectives de
transition aun systeme d'energie ahydrogene sont
fortement tributaires de la capacite a stocker l'hy
drogene combustible abard des vehicules. On peut
alors montrer que pour assurer une autonomie de 500
km aun vehicule standard (puissance de 74 kW, vi
tesse de 100 km/h et pertes dues au rendement du
moteur a30 %), il faut un reservoir d'hydrogene a
200 bars de 1 m3 de volume et un poids correspon
dant d'environ 500 kg. Dans ces conditions, le sto
ckage par compression semble serieusement limite.
5. 3 Stockage par adsorption
Certains materiaux poreux comme les charbons
actifs ant la propriete d'adsorber les gaz de maniere
efficace. Ils sont constitues par des micro-cristaux
de graphite dont l'enchevetrement forme un reseau
de pores ayant des diametres de l'ordre du nano
metre (cf. figure 15). Lorsqu'elles sont cumulees, les
surfaces laterales des pores representent une surface
considerable de plusieurs centaines aplusieurs mil
Hers de m2 par gramme de charbon actif. C'est sur
cette surface que peuvent venir s'adsorber les mo
lecules d'hydrogene diffusant atravers le reseau de
pores constitue. Bien que !'interaction de la molecule
H2 avec les atomes de carbone n'est pas tres forte,
elle suffit toutefois a ce que, aux conditions stan
dards, la densite des atomes adsorbes au voisinage
de la surface des parois des pores soit superieure par
un facteur 10 ala densite de l'hydrogene al'etat na
ture!. Notons que la synthese des nanofibres de car
bone est obtenue apartir d'une decomposition cata
lytique de !'acetylene ou de !'ethylene au niveau d'un
catalyseur de Nickel ou Nickel-Cuivre. Dans ce sens,
une etude sur la caracterisation micro-structurelle
des nanofibres de graphite et leur pouvoir adsorbant
est donnee par Kumar Gupta et Srivastava [19].
Clairement, on peut done envisager de constituer
un stockage d'hydrogene avec un reservoir rempli de
materiaux poreux carbones : la presence du materiau
reduit certes le volume disponible pour le stockage,
mais, par rapport ala situation m1 le reservoir est
vide, on espere compenser la perte et accroltre la
masse d'hydrogene stockee grace a!'adsorption. Les
applications concernent notamment le transport au
tomobile, vecteur de globalisation essentiel du sys
teme d'energie a hydrogene, et cela aux cotes des
piles acombustibles par exemple, mais aussi le sta-
tionnaire. A titre indicatif et dans un cas ideal, il est
possible d'atteindre une densite de 38 kgjm3 pour
une temperature de 298 K et une pression de 400
bars. Toutefois, les conditions de temperature et de
pression peuvent limiter considerablement les possi
bilites de ce mode de stockage. On a d'une part, qu'a
forte pression le stockage par adsorption perd ses ca
racteristiques favorables, la densite du gaz sous pres
sion devenant semblable acelle des couches de gaz
adsorbees pres des parois des pores; d'autre part,
qu'aux hautes temperatures, !'agitation thermique
des molecules affaiblit l'effet confinant de !'interac
tion attractive entre molecules et atomes de carbone
pres des parois et reduit du meme coup la densite des
couches adsorbees.
FIG. 15 - Nanofibres avant le processus d'adsorption
FIG. 16 - Representation schematique d'un faisceau
de nanotubes
Benard et Chahine [2] presentent une modelisa
tion du stockage par adsorption dans les charbons
actifs qui permet de calculer la capacite nette de sto
ckage par adsorption passif sur de larges gammes de
pressions et temperatures. Les resultats theoriques
montrent que l'efficacite du stockage par adsorp
tion n'est reellement etablie que dans un domaine
de temperatures allant de 77 a 150 K et pour des
pression d'environ 100 bars. Pour des performances

meilleures, les auteurs preconisent un apport de cha
leur au reservoir .
Ainsi et compte tenu des resultats obtenus a tem
perature ordinaire, sinon une forte densification des
composes, les charbons actifs actuels ne rendent pas
concurrentiel le mode de stockage par adsorption qui
du coup egale tout au plus en performance le pro
cede de stockage par compression. Des efforts ont
alors ete menes dans le sens de !'amelioration des
caracteristiques du reseau de pores; ils ont abouti a
la configuration en nanotubes de carbone (CNT).
Les nanotubes de carbone sont obtenus par l'en
roulement cylindrique des plans atomiques de pa
rois des pores (plan basal) de graphite. Les atomes
de carbone dans un tel plan forment un reseau bi
dimensionnel hexagonal et, afin que l'enroulement
cylindrique engendre des nanotubes, dit mono-paroi,
sans defaut, les positions des atomes de carbone lo
calisees a la peripherie de la portion du plan de gra
phite doivent etre compatibles avec les conditions
periodiques associees au reseau hexagonal. Cela est
schematise par la figure 16.
Des experimentations sur les capacites d'adsorp
tion des nanonstructures de carbones et leurs pro
prietes cristallines sont menees par Poirier et al. [38];
elles montrent qu'un accroissement des surfaces de
ces materiaux peut conduire a des capacites de sto
ckage tres interessantes, notamment en comparaison
avec les charbons actifs. Par ailleurs, Fazle Kibria
et al. [27] indiquent qu'il est possible d'atteindre 4 a
10 % d'hydrogene absorbe (relativement au poids de
l'adsorbeur), en mettant en <Puvre le stockage ther
mique (apport de chaleur). Pour les CNT de type Li
et K dope, les auteurs mentionnent des capacites de
20 et 14 % respectivement.
Notons enfin que le stockage dans les materiaux
carbones n'est pas la seule methode de stockage par
adsorption. Une autre methode est fondee sur la for
mation d'hydrures metalliques solides. L'hydrogene
moleculaire s'adsorbe en effet dans une large variete
de metaux et d'alliages metalliques. Cette adsorp
tion resulte de la combinaison chimique reversible
de l'hydrogene avec les atomes composant ces ma
teriaux. Certains metaux (V, Pd, etc.) ou composes
intermetalliques (ABn avec A correspondant a Y ,
Zr ou un lanthanide et B un metal de transition)
sont connus pour leurs capacites a adsorber de fa
c;on reversible de grandes quantites d'hydrogene. Les
composes ainsi formes sont appeles hydrures metal
liques. On peut citer l'exemple de TiMn1.5, dont
les caracteristiques sont en particulier etudiees par
Singh et al. (42]. Une etude relative aux caracteris
tiques de differents autres composes est par ailleurs
relatee par Zhu et al. [52].
Le pouvoir de stockage est alors tel que la quan
tite d'hydrogene presente dans 1 cm3 d'un hydrure
est souvent superieure a celle presente dans 1 cm3
d'hydrogene liquide. Le principal obstacle pour une
utilisation a grande echelle demeure neanmoins en
les prix eleves des metaux et alliages utilises. Dans ce
sens, les travaux de Zhang et al. (51] penchent vers
l'emploi du magnesium, comme solution economi
quement viable. Cependant, il s'agit d'une technique
qui n'est pas encore arrivee a maturite. En plus des
problemes de coilt vient s'ajouter le fait que !'hydro
gene adsorbe doit etre tres pur si l'on veut conserver
la capacite d'adsorption sans degradation avec la re
petition des cycles adsorption - desorption.
Pour resumer, retenons qu'un obstacle apparais
sant majeur a !'utilisation pratique de l'hydrogene
consiste en la difficulte a le stocker convenablement
et economiquement. En pratique, les procedes de
stockage par liquefaction et par compression n'ap
paraissent pas interessants au niveau des applica
tions. L'utilisation du procede d'adsorption semble
etre !'alternative la plus prometteuse. Au niveau des
hydrures metalliques, les performances sont tres at
tractives mais se heurtent au probleme du cout des
composes. Concernant la voie des nanotubes en car
bone, elle semble avoir la faveur des chercheurs. Tou
tefois, les deux procedes d'adsorption mentionnes
semblent accuser un net manque de maturite tech
nologique.
5.4 Utilisation de l 'hydrogene solaire
La viabilite d'un systeme d'energie a hydrogene
solaire repose pour une certaine part sur les pers
pectives d'utilisation de l'hydrogene solaire, une fois
produit et stocke i. e. la faisabilite d'une conversion
rentable et non polluante de son energie chimique en
energie utilisable. Les machines concernees par cette
conversion sont les piles a combustibles ainsi que les
moteurs thermiques a hydrogene; un aperc;u sur ces
machines est donne.
5. 5 Pile a combustible H2
Les piles a combustibles font actuellement l'ob
jet de programmes importants de Recherche & De
veloppement dans le cadre de !'utilisation de com
bustibles ecologiques comme l'hydrogene solaire. En
effet, les piles a combustibles permettent une pro
duction d'energie electrique et thermique a partir de
l'energie chimique emmagasinee dans l'hydrogene.
Leur utilisation est alors envisagee dans des applica
tions comme le stationnaire (centrale de production
d'energie), le transport (automobile) ou le spatial et
cela, conjointement ou non, aux moteurs thermiques.
Aussi, leurs avantages et inconvenients sont recapi
tules dans le tableau 6.
Une pile a combustible H2 fonctionne suivant le
principe de la combustion electro chimique contr6lee
d'hydrogene et d'oxygene avec production simulta
nee d'electricite, d'eau et de chaleur. La recombi
naison de la molecule d'eau est schematisee par les

TAB. 6
Avantages et inconv(mients de Ia pile a combustible
Avantages
-Le rendement de la pile a combustible ne depend
pas du cycle de Carnot et les temperatures de fonc
tionnement peuvent etre d'un faible niveau.
-Rendements energetiques eleves : de 40 a 70 % elec
trique, plus de 85 % en tout (electricite et chaleur) .
-Faibles emissions sonores.
-Faibles emissions en termes de CO, NOx, CnHm et
particules.
-Pas de parties rotatives et construction modulaire
-Couplage possible a une turbine
reactions suivantes
H2+20H- -+ 2H20+2e
1
202+2H++2e -+ H20
1
2o2+H20+2e -+ 20H-
avec la reaction bilan
(29)
Ces reactions s'operent au sein d'une struc
ture essentiellement composee de deux electrodes
(l'anode et Ia cathode) separees par un electrolyte.
L'hydrogene est amene au niveau de l'anode, tandis
que l'oxygene alimente la cathode (de l'air, enrichi
ou non en oxygene, peut aussi etre utilise).
Il existe differentes technologies de pile a combus
tible en cours de developpement. Aussi, pour analy
ser les perspectives de ces piles, il est utile de retracer
un panorama des voies de recherche et des techno
logies emergentes. Une synthese est donnee dans ce
sens, par Ie tableau 7. Les differents types donnent
tous, un rendement brut situe autour de 50 %.
FIG. 17 - Fonctionnement d'une pile
a membrane PEMFC
Inconv(mients
-Cout eleve des piles, principalement au niveau des
elements suivants : catalyseur (Platine), membranes,
plaques bipolaires, peripherie, etc.
-Poids et volume, surtout pour une application em
barquee.
-Duree de vie : elles doivent durer au moins 40000h
dans les applications stationnaires.
-Probleme de !'integration thermique qui consiste
soit a valoriser Ia chaleur, soit a l'evacuer, selon Ia
pile et !'application.
-Perspectives tributaires du cout de l'hydrogene.
Electrical Efflck!ncy
45
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-
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0 500 1000 1 500 2000 2500 3000
Net Electrical Power (Watts)
FIG. 18 - Rendements electriques bruts
d'une pile a combustible PEMFC de 3kW
en fonction de Ia puissance
Sur Ie tableau 7, on peut voir que Ies choix
technologiques sont conditionnes par le cahier des
charges de !'application, i. e. la temperature de fonc
tionnement, la duree de vie et l'encombrement mais
aussi le cm1t attendu. Les technologies que l'on peut
principalement retenir sont :
1. la pile a membrane echangeuse de proton
PEMFC (cf. figure 17). Les performances ener
getiques de cette pile sont etudiees par John
son et al. [25] dans le cadre d'un programme
de developpement energetique des villages de
I'Alaska, U.S.A; Ies tests portent sur une pile
de 3 kW soumise a differentes charges. Les re
sultats obtenus font ressortir des rendements
superieurs a 48 % (la figure 18 montre !'in
fluence de la puissance sur les rendements elec
triques). Par ailleurs, au niveau des construc
teurs automobiles, Ies recents developpements
semblent orienter Ies prix vers des niveaux sa
tisfaisant les contraintes du marche automo
bile : Ies cout annonces sont d'environ 50 $/kW
pour des applications automobiles a duree de

TAB. 7
Les differents types de piles a combustible
Type de pile Electrolyte T (C) Applications Observations
Alcaline
AFC
Potasse
(liquide)
80 Espace, transports.
Gamme : 1 a 100 kW
- Inconvenient : necessite un
traitement prealable de !'air.
- Accompagne tous les vols habites
de Ia NASA.
Acide polymere
PEMFC ou DMFC
Polymere
(solide)
80 Portables, transports,
stationnaire.
- Un milliards de dollars investis
de 1996 a 1999 par l'alliance
Ballard-DaimlerChrysler-Ford.
Gamme : 1W a 1 MW
- Prototypes lances par les grands
grands constructeurs mondiaux.
Acide phosphorique
PAFC
Acide
phosphorique
(liquide)
200 Transports, stationnaire.
Gamme : 200 kW
- Cout voisin de 3000-4000 $/kW.
- Exclusivement commercialisee par
a 10 MW la societe americaine ONSI Corp.
avec une puissance de 200 kW.
Carbonate fondu
MCFC
Sels fondus
(liquide)
650 Stationnaire.
Gamme : 500 kW
a 10 MW
- Problemes lies a Ia corrosion.
- Avantages : Rejets thermiques a
temperature elevee, permettant une
valorisation par un cycle a turbine.
Oxyde solide
SOFC
Ceramique
(solide)
700 a
1000
Transports, stationnaire.
Gamme : 1 kW
- Les rejets thermiques atteignent
une temperature de 800 C ce qui
permet une valorisation a !'aide de
cycles combines. Le rendement
global est superieur a 80 %.
a 10 MW
vie limitee a 3000 h; pour les applications sta
tionnaires a dun��e de vie superieure a 30000 h,
il faut compter 500 a 1000 $/kW, ce qui est
considere comme competitif.
2. la technologie oxyde solide SOFC, suscitant
aussi un tres grand interet; deux grandes voies
technologiques sont actuellement prospectees :
la technologie cylindrique qui annonce un cout
de 1000 $/kW pour une installation de 5 MW
et la technologie plane, plus complexe mais qui
semble potentiellement plus economique.
Ainsi, au vu des rendements tres interessants et
des couts en constante baisse des piles a combus
tibles et compte tenu des progres technologiques
qu'il reste a accomplir, les piles a combustible ap
paraissent renfermer un potentiel economique eleve.
Ce potentiel reste par ailleurs limite par la disponi
bilite du combustible (i. e. l'hydrogene solaire).
5. 6 Moteurs thermiques a hydrogene
Du seul point de vue de la thermodynamique,
tous les moteurs alternatifs (cycles Diesel, Otto ou a
allumage commande) ainsi que les turbines a vapeur
et a gaz peuvent etre convertis a l'hydrogene.
Au niveau des vehicules automobiles, des mo
teurs thermiques bi-carburants ont ete developpes,
utilisant aussi bien l'hydrogene que l'essence comme
combustible. L'hydrogene utilisee, est stockee sous
forme liquide a bord du vehicule et alimente le mo
teur. Des prototypes de moteur a hydrogene de type
V8 et V12 ont recemment ete developpes et presen
tes; ceux-ci peuvent fournir une puissance utile su
perieure a 135 kW pour une vitesse de pointe du
vehicule de 215 km/h. L'autonomie est de 300 km
pour 120 1 d'hydrogene liquide embarque, ce qui cor
respond a 8 kg.
Dans le domaine aeronautique, !'utilisation de
l'hydrogene dans les turbines a gaz date deja de pres
d'un demi-siecle. Plusieurs modeles de turboreac
teurs ont ete modifies puis essayes au sol pour valider
ces modifications, puis en mesurer les performances.
Les travaux americains (Lewis Flight Propulsion La
boratory) menes depuis 1955 montrent qu'il est pos
sible de trouver rapidement des solutions d'adapta
tion satisfaisantes.
En resume, l'analyse presentee sur les moyens de
production d'energie a partir de l'hydrogene a bien
montre, d'une part les potentialites economiques ele
vees des piles a combustible avec des rendements et
des couts tres interessants et d'autre part une grande
marge de manceuvre pour !'adaptation des moteurs
thermique a l'hydrogene.
Dans le cadre d'un systeme d'energie a hydrogene
solaire, l'acquis de ces moyens de production d'ener
gie conforte en definitive, une repartition des efforts

L'hydrogeme d'origine solaire 19
de l'ingi'mierie davantage portE�e sur la production et
le stockage du combustible solaire.
6. Conclusion
Les problemes ecologiques lies aux energies fos
siles et nucleaires ainsi que la limitation des res
sources, compromettent le developpement econo
mique a venir de notre planete; une situation pour
laquelle, la demande croissante en energie, notam
ment des pays en voie de developpement, joue un
role aggravant.
Le systeme d'energie base sur l'hydrogene d'ori
gine solaire a ete propose comme solution a ces pro
blemes. L'hydrogene produit a partir de l'energie so
laire, sous forme directe ou indirecte, n'aura a priori
aucune incidence sur l'environnement; comme com
bustible solaire, l'hydrogene permettrait de stopper
l'effet de serre et favoriser une restitution de la qua
lite de }'atmosphere, serieusement entamee par les
rejets polluants, dont principalement le C02.
Les differents procedes de production d'hydro
gene par voie solaire ont pour cela ete examines. Un
modele thermodynamique a ete expose pour ce qui
concerne les cycles thermochimiques. On note alors
que le cycle de dissociation thermochimique de l'eau
base sur Zn/ZnO semble offrir des perspectives par
ticulierement interessantes. Par ailleurs, le systeme
d'electrolyse a haute temperature du type hybride
qui a ete evoque peut aussi etre retenu au vu des
rendements prometteurs affiches.
Sur le plan de }'utilisation de l'hydrogene,
l'apen;u qui a ete donne sur les piles a combustibles
ainsi que les moteurs thermiques adapte a }'hydro
gene a bien montre qu'il est techniquement possible
de substituer efficacemment l'hydrogene aux hydro
carbures dans les installations de production d'ener
gie electrique, mecanique ou thermique.
Un des principaux obstacles identifies dans la
mise en ceuvre d'une economie a hydrogene provient
en fait de la capacite a stocker l'hydrogene d'une ma
niere viable. De ce point de vue, }'adsorption dans les
nanotubes de carbone est apparue comme une voie
feconde, qu'il s'agirait toutefois de bien maitriser.
Finalement et compte tenu de ces differents as
pects, il devrait y avoir plusieurs manieres de tran
siter vers une economie a hydrogene solaire. La plus
realiste consisterait a utiliser les ressources fossile
et nucleaire dans une premiere etape, pour produire
massivement l'hydrogene et l'imposer comme carbu
rant. Il serait des lors possible de basculer vers un
systeme d'energie a hydrogene solaire entierement
non polluant et durable. Dans un cas plus defavo
rable et de notre point de vue, une autre approche
pourrait conduire a adopter le systeme d'energie
a hydrogene solaire comme un systeme d'appoint,
consequent, dans le cadre d'une solution combinant
une politique mondiale d'economie d'energie efficace
et une promotion des energies renouvelables.
Remerciements - L'essentiel de la documentation
utile a !'elaboration de ce rapport a ete fournie par
courier et via l'Internet, grace a l'amabilite de Mes
sieurs T.N. Veziroglu ( Clean Energy Research Ins
titute, Miami, U.S.A) , J.R. Bolton (Depar·tment of
Chemistry, Ontario, Canada) ainsi que A. Meier et
A. Steinfeld (Laboratory of Solar Technology, Paul
Scherrer Institute, Villigen, Suisse). Qu'ils en soient
remercies.
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