​Convertir du CO₂, de l'eau et de l'énergie solaire en molécules carbonées d'intérêt est crucial pour réduire les émissions de gaz à effets de serre : cela permet en effet de défossiliser les secteurs qui ne pourront pas bénéficier de l'électrification ou de l'hydrogène, tels que le transport lourd longue distance, la chimie (molécules de base, polymères), ou l'énergie. Cependant, peu de recherches ont été menées jusqu'au stade du prototype opérationnel à ce jour. Et les travaux présentés dans la littérature scientifique présentent des composants unitaires, testés à petite échelle (souvent de l'ordre de quelques cm²) et sous ensoleillement calibré en laboratoire. Dans le cadre du concours, les équipes du CEA ont assemblé différents composants issus de leurs laboratoires en une chaîne complète de conversion, depuis la collecte des photons jusqu'à la conversion du CO₂ en méthane. Le prototype a été dimensionné pour fonctionner en continu, sans stockage d'hydrogène intermédiaire et avec une bonne gestion de l'intermittence. Evalué en conditions réelles de fonctionnement pendant 72 heures, il présente une efficacité globale (i.e. rendement de conversion de l'énergie solaire en énergie chimique) d'environ 5%. Un résultat à l'état de l'art pour un démonstrateur ayant une surface active de collecte des photons remarquable de 342 cm².

L'équipe projet devant le prototype de système intégré de production de méthane solaire.
Crédit A. Aubert /CEA

Ce prototype combine des cellules photoélectrochimiques avec un réacteur de biomethanation. Les cellules photoélectrochimiques sont composées de cellules solaires tandems silicium / pérovskite couplées à des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons. L'hydrogène est obtenu par électrolyse de l'eau, sous l'effet de la différence de potentiel apportée par les cellules solaires aux bornes de l'électrolyseur. L'efficacité de production a été améliorée par l'intégration d'un échangeur thermique, obtenu par fabrication additive. Pour le second étage de conversion, des micro-organismes appelés Archaea ou archées effectuent l'hydrogénation du CO₂ à pression modérée et température proche de l'ambiante (35°C), et avec une excellente sélectivité.

Ce démonstrateur sera valorisé au CEA en tant que plateforme instrumentée, pour tester en conditions de laboratoire l'hybridation de composants intégrés dans de nouvelles chaînes complètes de conversion du photon à la molécule d'intérêt.

Vue arrière montrant le panneau de commande.
Crédit A. Aubert /CEA​

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