Innovation Technologique, scientifique ou financière

Energie : De l’essence fossile à l’essence solaire

Des centrales solaires permettent d’envisager la production d’essence formée d’eau et de CO2.

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La quête des alchimistes était de transformer le plomb en or. Avec du soleil, de l’eau et du CO2, les physiciens et chimistes modernes poursuivent un autre rêve: fabriquer en masse de nouveaux carburants… solaires. L’idée est ancienne, elle date de la fin des années 1970, mais elle fut quasiment abandonnée avec la baisse prolongée du prix de l’or noir. D’une grande élégance scientifique, le concept est à nouveau au premier plan de la recherche. La faisabilité technologique a non seulement été démontrée mais elle progresse à grands pas, comme en témoignent la littérature scientifique et les premiers résultats de laboratoire réalisés aux Etats-Unis, en Suède mais également en Suisse, notamment par les équipes du Paul Scherrer Institute (PSI) et de l’EPFZ.

Les chercheurs partent d’un constat: l’énergie solaire qui irradie la Terre est quasi infinie et permettrait de satisfaire tous les besoins de l’humanité, à condition de savoir la capter efficacement et la stocker sous une forme chimique facilement transportable. Pour la capter, les ingénieurs imaginent de grandes centrales solaires où l’on suit les rayons du soleil pour les reconcentrer sur une tour pour atteindre de très hautes températures (+1000 degrés C) et craquer les molécules d’eau dont on pourra extraire de l’hydrogène et de l’oxygène. Cette thermo-électrolyse se fait en deux étapes pour éviter la formation du couple hydrogène-oxygène, hautement explosif. Concrètement, dans la première chambre du réacteur (voir schéma) où se concentre le rayonnement solaire, de l’oxyde de zinc est réduit en zinc et en oxygène sous l’effet de la chaleur; puis, dans la seconde chambre, le zinc réagit avec l’eau, libérant de l’oxyde de zinc et de l’hydrogène. La boucle est bouclée: le réacteur dopé par le soleil opère la transmutation des éléments.

Le procédé, qui a été validé récemment par un prototype au PSI mis au point par l’équipe du professeur Aldo Steinfeld, permet de valoriser une autre ressource abondante dont l’humanité aimerait se débarrasser sans mettre en danger le climat: le CO2. Avec le même réacteur, il est possible de transformer le CO2 en monoxyde de carbone (CO), composé chimique qui, combiné avec de l’hydrogène, permet de produire un gaz de synthèse (syngas) hautement énergétique. A la seule différence près que l’on injecte du CO2 dans la seconde chambre du réacteur, à la place de l’eau. Une expérience pilote concluante vient d’être réalisée par les chercheurs du Sandia National Laboratories dans les entrailles d’un réacteur installé dans la Vallée de la Mort, à la frontière de la Californie et du Nevada. Cette expérience ouvre une voie prometteuse: le CO2 émis par les grandes centrales au charbon et au gaz pourrait être ainsi recyclé plusieurs fois en carburant solaire utilisable pour les voitures, en attendant l’arrivée de la filière hydrogène. Pour Aldo Steinfeld, de telles installations permettraient de réduire fortement les émissions de CO2 dans l’atmosphère et pourraient s’avérer nettement moins coûteuses que la séquestration du CO2 que l’on envisage de piéger dans les centrales pour le stocker à terme dans des couches terrestres imperméables.

Sur la route du tout hydrogène, l’utilisation du CO2 comme matériau de base pour produire un carburant solaire décarboné servirait d’étape intermédiaire pour enrichir énergétiquement les carburants fossiles classiques grâce à l’apport du soleil. A priori, on peut envisager de produire du gaz de synthèse, craquer du pétrole et du gaz, recombiner du biogaz, produire du méthanol, des composés chimiques solides, soit autant d’essences synthétiques qui permettraient de créer un pont technologique vers une production à grande échelle d’hydrogène dont l’émergence n’est annoncée que pour le milieu du siècle. Selon les premières évaluations, le recyclage du CO2 des centrales thermiques classiques dans une centaine de réacteurs solaires installés dans les déserts serait suffisant pour remplacer la totalité de l’essence consommée par les voitures améri­caines. La mise au point de la technologie se heurte bien sûr à d’innombrables obstacles mais aucun ne semble insurmontable, à lire les chercheurs. Au PSI comme à Sandia National Laboratories, les chimistes et physiciens passent en revue tous les oxydes de métaux et autres céramiques qui permettraient d’augmenter les rendements de conversion et d’abaisser le niveau des températures requises pour assurer la transmutation du CO2 et craquer les molécules d’eau au sein de réacteurs qui, jusqu’ici, n’ont permis de produire que quelques centaines de litres d’essence solaire. Le PSI détient le record d’efficacité, soit 3% d’énergie solaire convertie en carburant. Pour des applications commerciales, les chercheurs estiment nécessaire d’atteindre un rendement supérieur à 20%. Un tel objectif, envisagé pour 2020, exigera des catalyseurs plus performants et une optimisation des concentrateurs solaires. Ces développements technologiques sont stratégiques. Plusieurs grands projets de centrales solaires thermiques classiques sont en cours de réalisation. Dotées de concentrateurs solaires, ces usines permettraient de stocker l’énergie solaire captée sous une forme chimique, notamment pour assurer une production électrique en continu. En fait, les chercheurs empruntent la même voie que les plantes, qui se nourrissent d’eau et de CO2 et les métabolisent en énergie chimique mais avec un rendement inférieur à 1%.

Les ingénieurs ont aujourd’hui un allié de poids, la toute-puissance du soleil et un avocat scientifique, Steven Chu, Prix Nobel de physique, ministre de l’Energie de Barack Obama, convaincu que l’avenir des systèmes énergétiques sera fondé sur la bioénergie, l’alliance fertile entre la chimie, la physique et la biologie. Nous y sommes.

Pour en savoir plus: Science, décembre 2009, Engineering & Science, FALL, 2009, Road Map Solar, DOE, 2008.

Infographie. L’essence solaire (cliquez sur le lien)

source  Par Pierre Veya le temps

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