Un dispositif capable de convertir l’énergie solaire en électricité « à la demande »

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Vue d’artiste du système MOST chargeant un appareil mobile. | Université de technologie Chalmers/Daniel Spacek/Neuroncollective
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En 2017, des chercheurs de l’Université de technologie de Chalmers, en Suède, présentaient un système innovant permettant de stocker l’énergie solaire sous forme liquide. Cette technologie, baptisée MOST (Molecular Solar Thermal Energy Storage Systems), repose sur une molécule spécialement conçue capable de changer de forme lorsqu’elle est exposée à la lumière solaire. L’énergie peut être stockée de cette manière pendant 18 ans ! Les scientifiques à l’origine du concept montrent aujourd’hui que leur technologie peut également être utilisée pour produire de l’électricité.

La technologie MOST est un système énergétique fermé basé sur une molécule composée de carbone, d’hydrogène et d’azote, spécialement conçue de manière à ce qu’elle se transforme lorsqu’elle est exposée à la lumière du soleil : elle adopte alors une conformation différente (les atomes se réarrangent) particulièrement riche en énergie. Cet isomère peut ensuite être stocké sous forme liquide pour une utilisation ultérieure en cas de besoin (la nuit ou en hiver, par exemple). Un catalyseur libère l’énergie stockée sous forme de chaleur tout en redonnant à la molécule sa forme d’origine — celle-ci peut ensuite être réutilisée de la même manière.

Les chercheurs sont parvenus à affiner leur système pour atteindre des performances exceptionnelles : l’énergie peut être stockée ainsi pendant 18 ans. En collaboration avec des chercheurs de l’Université Jiao Tong de Shanghai, ils démontrent que leur système de stockage peut aussi être combiné avec un générateur thermoélectrique pour produire de l’électricité « à la demande ». « Cela signifie que nous pouvons utiliser l’énergie solaire pour produire de l’électricité indépendamment de la météo, de l’heure de la journée, de la saison ou de l’emplacement géographique », souligne le directeur de recherche Kasper Moth-Poulsen, professeur au Département de chimie et de génie chimique de l’Université de Chalmers.

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Mieux exploiter l’énergie solaire

Le générateur en question est une puce ultramince, qui pourrait être intégrée dans des appareils électroniques portatifs tels que des écouteurs, des montres intelligentes et des téléphones. Non seulement ce système énergétique est intéressant en matière d’autonomie — les équipements pouvant être potentiellement autorechargeables — mais il est également exempt d’émissions nocives. « C’est un système fermé qui peut fonctionner sans provoquer d’émissions de dioxyde de carbone », a déclaré Moth-Poulsen.

Cette technologie s’inscrit directement dans le cadre de la recherche de solutions énergétiques permettant de ralentir ou limiter l’augmentation de la température mondiale. On estime que la consommation totale d’énergie dans le monde, tous secteurs confondus, devrait atteindre 21 TWy (térawatts-année), d’ici 2040. Aujourd’hui, 85% de l’électricité produite est dérivée de combustibles fossiles il est donc urgent de trouver des sources d’énergie émettant moins de gaz à effet de serre.

L’énergie nucléaire est une source d’énergie à faible teneur en carbone, mais elle requiert des installations complexes et coûteuses. L’énergie hydroélectrique est limitée géographiquement, tout comme les systèmes énergétiques solaires et éoliens, dont les performances fluctuent également en fonction de la saison ou de l’heure. L’énergie solaire est la ressource énergétique la plus abondante sur Terre et l’optimisation de son utilisation peut donc potentiellement répondre à la demande intensive et croissante en énergie tout en réduisant les effets néfastes sur l’environnement, soulignent les chercheurs. « Par exemple, on estime que 2,3 × 104 TWy d’énergie solaire atteignent la Terre chaque année, ce qui équivaut à seulement 7 heures d’ensoleillement nécessaires pour répondre aux besoins énergétiques mondiaux annuels actuels », précise l’équipe.

Les cellules photovoltaïques actuelles peuvent convertir directement l’énergie solaire en énergie électrique avec un rendement maximal d’environ 30% — la majeure partie de l’énergie solaire étant perdue sous forme de chaleur. Il apparaît donc nécessaire de développer des technologies, pouvant mieux exploiter et stocker l’énergie solaire (en particulier la chaleur, qui n’est pas efficacement utilisée à ce jour). Le dispositif mis au point par les chercheurs permet de répondre à ce besoin.

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Une première production continue d’électricité

Le système se compose de matériaux capables d’exploiter la lumière solaire via des réactions photochimiques réversibles. « Il a été précédemment estimé que, pour un dispositif MOST liquide idéal, jusqu’à 21% de l’énergie solaire peut être stockée sous forme d’énergie chimique pour une production de chaleur ultérieure », précisent les chercheurs. L’avantage du générateur thermoélectrique utilisé pour produire de l’électricité est que la conversion de la chaleur est directe — alors que dans les systèmes traditionnels, la conversion s’effectue en deux étapes, de la chaleur à l’énergie mécanique, puis à l’énergie électrique.

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Taux de conversion du dispositif basé sur la forme liquide de MOST (un dérivé de norbornadiène, noté NBD), en fonction du temps de séjour dans l’appareil. © Z. Wang et al.

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À noter que les systèmes MOST peuvent fonctionner à la fois sous forme liquide et sous forme de film. Sous forme liquide, l’énergie peut être transportée, donc stockée et libérée à deux endroits différents ; sous forme de film, les systèmes peuvent être utilisés pour la conception de fenêtres intelligentes par exemple, entre autres applications. Dans le cadre de leur étude, les chercheurs ont donc testé leur système sous ses deux formes, couplé à un générateur thermoélectrique ultra-fin de quelques micromètres d’épaisseur. Tous deux ont été capables de stocker l’énergie solaire plus d’un mois à température ambiante.

L’équipe rapporte une puissance de sortie allant jusqu’à 0,1 nW (jusqu’à 1,3 W/m³) pour la preuve de concept, ce qui est relativement faible. Mais pour la première fois, l’appareil a généré de l’électricité en continu pendant plus de 25 min. « Jusqu’à présent, nous n’avons produit que de petites quantités d’électricité, mais les nouveaux résultats montrent que le concept fonctionne vraiment. Cela semble très prometteur », a déclaré Zhihang Wang, chercheur à l’Université de Chalmers et premier auteur de l’étude présentant le dispositif.

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Si la technologie s’avère très prometteuse, elle n’est pas prête d’alimenter nos appareils électroniques ni de chauffer nos maisons ! Il faut évidemment que la quantité de chaleur ou d’électricité produite via le système MOST soit adaptée aux besoins. Il est donc nécessaire de réfléchir au moyen de développer le dispositif à plus grande échelle et à moindre coût pour que la technologie soit rentable.

Source : Z. Wang et al., Cell Reports Physical Science

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