Cultiver des tomates Agri-PV tout en produisant de l'hydrogène pour des fenêtres intelligentes

Un groupe de recherche de l'Université d'Exeter a étudié un concept modulaire de production d'hydrogène alimenté par l'agrivoltaïque-pour les ménages. L’agrivoltaïque sur les toits alimente un électrolyseur qui produit de l’hydrogène pour les véhicules à hydrogène et pour les fenêtres intelligentes gazochromes isolées. Les fenêtres sont une forme de verre isolant thermique qui s'assombrit ou s'éclaircit grâce à des réactions réversibles avec l'hydrogène et l'oxygène, permettant ainsi de contrôler la lumière et la chaleur.

"Cette recherche présente un nouveau concept énergétique intégré au bâtiment, reliant l'agrivoltaïque, l'hydrogène, les façades intelligentes et la mobilité. Elle offre une nouvelle perspective sur la façon dont les bâtiments pourraient devenir des pôles énergétiques actifs et multifonctionnels, une idée de plus en plus pertinente pour les futurs systèmes énergétiques urbains", a déclaré la chercheuse Aritra Ghosh au magazine pv. "Bien que la surface limitée du toit limite naturellement la production totale d'hydrogène, la valeur du concept réside dans son intégration de système et sa nouveauté, plutôt que dans sa production à grande échelle."

À l'aide de plusieurs outils logiciels, l'équipe a simulé une véritable maison d'habitation à deux étages à Birmingham, en Angleterre. Le bâtiment a une superficie totale d'environ 142,7 mètres carrés, une hauteur de 4,8 mètres et 55 mètres carrés de surface de toit disponible pour l'agrivoltaïque. Il comprend 16 fenêtres réparties sur neuf zones thermiques. Birmingham connaît des températures extrêmes modérées, avec des températures estivales maximales d'environ 21 degrés Celsius et des températures hivernales proches de 1 degré.

Sur le toit plat, 12 modules solaires ont été installés dans trois configurations : verticale, en forme de dôme-en forme de dôme avec une inclinaison de 20 degrés ou une inclinaison optimisée de 30 degrés. Chaque configuration a été testée avec des modules monofaciaux de 600 W ou des modules bifaciaux de 605 W. Les tomates étaient cultivées sous les panneaux, nécessitant six à huit heures de soleil direct par jour et des températures nocturnes d'environ 13 degrés.

Un électrolyseur de 7 kW avec un rendement de 88 % a été utilisé pour produire de l'hydrogène à partir de la production solaire. L'hydrogène a été modélisé pour trois utilisations : alimenter une Toyota Mirai 2017, alimenter les vitres gazochrome, ou les deux. Les performances des fenêtres gazochromes sous vide ont également été comparées à celles des alternatives à double vitrage, électrochromes et gazochrome standard.

"En utilisant une surface de toit de 55 m2, le système a pu produire suffisamment d'hydrogène pour répondre à la demande annuelle du vitrage intelligent, calculée à seulement 52,56 grammes par an", a déclaré Ghosh. « De plus, lorsque la production d'hydrogène est évaluée en termes de mobilité, le même système de toit - utilisant une configuration photovoltaïque bifaciale inclinée à 30 degrés – pourrait théoriquement supporter jusqu'à 64,23 km de conduite par jour. Cette estimation est basée sur les performances d'une Toyota Mirai 2017, qui a une capacité de réservoir d'hydrogène de 5,6 kg.

Les résultats ont montré que le système bifacial avec une inclinaison de 30-degrés générait le plus d'électricité, à 7 919 kWh par an, tandis que la configuration monofaciale à 30-degrés offrait le coût d'électricité actualisé le plus bas, à 0,061 GBP (0,082 $)/kWh. Les rendements en tomates étaient constants dans toutes les configurations, à 0,31 kg par mètre carré. Parmi les options de vitrage, les fenêtres gazochromes sous vide ont obtenu les meilleures performances thermiques, avec une valeur U de 1,32 W par mètre carré-kelvin, mais avec une épaisseur plus élevée de 24,62 mm.

"Bien que les volumes absolus d'hydrogène soient modestes, les résultats démontrent comment de petites zones de toit peuvent prendre en charge plusieurs applications d'hydrogène à l'échelle d'un bâtiment, renforçant ainsi le potentiel des systèmes photovoltaïques à hydrogène modulaires sur site", a déclaré Ghosh. "L'impact de l'agrivoltaïque sur l'isolation des maisons et l'utilisation optimale de l'hydrogène produit pour le chauffage des maisons seront l'objectif de nos recherches ultérieures.

Les résultats ont été publiés dans Energy and Buildings sous le titre « Production d'hydrogène sur site alimentée par agrivoltaïque sur les toits pour les vitrages intelligents gasochromiques isolés et les véhicules à hydrogène : une approche holistique de la construction résidentielle durable ».