nouveau processus de stockage de l'énergie solaire, grâce à l'oxyde de fer !

Actuellement, l’énergie solaire, irrégulière, produit directement de l'électricité, qu'on ne sait pas stocker. L'une des solutions est de produire de l'hydrogène mais le prix de cette transformation est trop élevé, sauf si l'on trouve un moyen de réduire le le coût. C'est possible, affirme une équipe suisse, qui vient de montrer comment transformer l’énergie solaire en hydrogène à partir de rouille et d'eau…
 

L’utilisation de l’énergie solaire est une alternative à l’énergie fossile. Mais difficile à stocker, elle n'est utilisable qu'en instantané et lorsque le temps le permet. Il existe toutefois un moyen de stockage, sujet à de nombreuses recherches. Il s’agit d’utiliser le solaire pour électrolyser l’eau et former de l’hydrogène. Un procédé parfait sur le papier : on utilise l’énergie solaire pour créer un carburant sans empreinte carbone et hautement énergique. Mais les procédés de transformation du solaire à l’hydrogène sont excessivement onéreux et le rendement est faible.

Alors, l’électrolyse de l’eau par l’énergie solaire restera-t-elle un processus onirique ? Rien n’est moins sûr. Une équipe de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) développe une technique d’utilisation de l’énergie solaire pour produire de l’hydrogène à base de rouille et d’eau ! Produit peu cher et facilement utilisable, l’oxyde de fer pourrait ainsi trouver un usage inattendu. Le dispositif, encore à l’état expérimental, est décrit dans un article paru cette semaine dans le magazine Nature Photonics.

L’idée de transformer l’énergie solaire en hydrogène n’est pas nouvelle. Cela fait plus de 40 ans que les scientifiques y travaillent. L’EPFL a rejoint l’équipe de Michaël Gratzel qui inventa la cellule tandem photoélectrochimique (Pec) dans les années 1990. Dans ce petit dispositif, autonome, les électrons produits sont utilisés pour casser les molécules d’eau.

Des scientifiques suisses, dont Kevin Sivula, produisent de l'hydrogène à partir de l'énergie solaire, de l'eau et de la rouille.

 Un moyen écologique et peu onéreux de produire de l'énergie propre. © EPFL (capture d'écran de vidéo)

 

Dans la solution électrolytique, deux couches distinctes génèrent des électrons quand elles sont stimulées par la lumière. D’une part, un oxyde semi-conducteur supervise l’évolution de la réaction de l’oxygène et une cellule sensibilisée au colorant libère l’hydrogène d'autre part. D’après Kevin Sivula, un des auteurs de la publication, « le système est très intéressant d’un point de vue théorique mais cela coûterait 10.000 dollars de produire 10 cm² de surface ».

« L'oxyde de fer est l'un des pires semi-conducteurs ! »

Sivula et ses collègues ont ainsi volontairement limité leurs recherches à des matériaux peu onéreux et de grosse production. Dans leur cellule, le semi-conducteur qui gère la réaction de l’oxygène n'est que de l’oxyde de fer, autrement dit de la rouille. Pour l’instant, le rendement maximal de l’électrolyse est de 3,1 %, mais l’équipe suisse est confiante. « Avec notre concept moins onéreux basé sur l’oxyde de fer, nous espérons obtenir un rendement de 10 % dans quelques années, pour moins de 80 dollars par m². »

L’oxyde de fer est-il l’élément parfait ? Pas tout à fait. « C’est stable et abondant, il n’y a pas de risque que ça rouille davantage ! Mais c’est l’un des pires semi-conducteurs disponibles ! » admet Kevin Sivula. En conséquence, l’oxyde de fer utilisé dans la réaction redox n’est pas exactement la rouille que l’on trouve sur un clou. L’oxyde est renforcé avec de l’oxyde de silicium, d’aluminium et de cobalt. D’après l’équipe, ces traitements optimisent les propriétés électrochimiques du matériau et sont faciles à appliquer. La deuxième couche du dispositif est constituée d'un colorant et de dioxyde de titane, ce sont les ingrédients de base d'une cellule solaire à colorant.

Si l’oxyde de fer est révolutionnaire, le temps nous le dira. Ce qui est certain, c’est que ce procédé est basé sur deux oxydes (fer et titane) dont de nombreuses études feront rapidement progresser la technologie. 

L'électrolyse de l'eau est une technique qui sépare le dihydrogène (H₂) du dioxygène (O₂), les deux composés de l'eau, à partir d'un courant électrique. © Wikipédia, Licence art libre

source

Glossaire

• Énergie solaire
• Panneau solaire
• Énergie solaire photovoltaïque
• TSI
• Panneau solaire thermique

la fusion nucleaire

Le soleil, siège de nombreuses réactions de fusion nucléaire

L'humanité est confrontée à un défi grandissant : celui de la demande énergétique.

La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l'un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées. Il ne faut pas confondre la fusion nucléaire avec la fusion du cœur d'un réacteur nucléaire qui est un accident nucléaire particulièrement redoutable.





 le projet actuellement le plus soutenue en France avec ce genre de technologie, c'est ITER, d'areva.

 La fusion nucléaire et le projet ITER.

 ( Phénomènes physiques en jeu )


Une réaction de fusion est possible, à partir de noyaux légers, libérant ainsi de l’énergie.
La seule réaction de fusion à avoir un seuil en énergie suffisamment bas, pour être envisageable en pratique, est la réaction de fusion entre les noyaux de deutérium et de tritium. Cette réaction ne peut se produire que si les atomes de deutérium et de tritium sont complètement ionisés, et n’est utilisable pour produire de l’énergie que si l’on maintient confiné et suffisamment chaud (température extrême) le plasma formé par les noyaux de deutérium, de tritium et les électrons provenant de l’ionisation.
Deux possibilités s’offrent pour assurer un tel confinement, soit au travers d’un champ magnétique adapté (qui confine les particules du plasma dans un espace fini), soit par des impulsions de faisceaux laser ou de faisceaux de particules convergents et pulsés.

Dans les systèmes à confinement magnétique (les plus développés étant de type « tokamak »), le chauffage du plasma s’opère de plusieurs façons : transfert au plasma de l’énergie des particules α issues de la réaction de fusion ; chauffage ohmique induit par le courant électrique du plasma ; chauffage par ondes électromagnétiques de haute fréquence ou chauffage par injection de particules neutres. Pour que la fusion soit utilisable comme source d’énergie, il est nécessaire que l’énergie fournie par la fusion soit supérieure à celle que l’on injecte pour chauffer et maintenir le plasma.

Des progrès considérables ont eu lieu dans les dernières décennies pour se rapprocher des performances nécessaires à une utilisation de la fusion. Cependant, beaucoup de problèmes technologiques restent à résoudre avant que l’on puisse envisager la construction d’une installation industrielle. Parmi ces difficultés technologiques, citons la tenue des matériaux au contact du plasma, le contrôle de la diffusion du tritium produits dans les couvertures tritigènes en lithium, et la minimisation de l’activation des matériaux de couverture.

Le projet ITER  ( La fusion thermonucléaire )

la fusion nucléaire par confinement magnétique

Le projet mondial « ITER » (pour International Thermonuclear Experimental Reactor) de réacteur expérimental de fusion nucléaire a pour but de faire la démonstration scientifique et technique qu’il est possible d’utiliser la fusion pour produire de l’énergie. Les partenaires sont l’Union européenne, la Russie, le Japon, les États-Unis, la Chine, la Corée-du-Sud et l’Inde.

L’installation sera de type « tokamak ». De taille et de performances proches des réacteurs industriels envisagés (avec 10 fois plus d’énergie produite que d’énergie injectée pour chauffer et maintenir le plasma, et avec un chauffage du plasma à 66 % par les rayons α libérés par la réaction de fusion), elle permettra d’effectuer, en configuration réaliste, la recherche encore nécessaire sur les matériaux et le fonctionnement d’un réacteur de fusion. Le site de Cadarache du CEA a été retenu pour accueillir cette installation, qui devrait être exploitée une vingtaine d’années.

Deux configurations magnétiques possibles pour confiner le plasma : ouverte et fermée.

pour plus d'explication voir le site du CEA.

la concurrence ( Bill Gates et Toshiba ) 

Areva voit arriver un concurrent sévère sur le marché des petits réacteurs. Toshiba est en discussion avec TerraPower de Bill Gates pour développer des réacteurs destinés aux pays émergents.

Le renouveau du nucléaire sera porté par la demande des pays émergents, Chine et Inde en tête, Asie et Moyen-Orient dans le peloton. Le japonais Toshiba, qui contrôle l’américain Westinghouse avec lequel Areva a travaillé sur le design des réacteurs du parc français actuel, n’a pas perdu de temps. Il a annoncé être en discussion avec la société Terra Power, dont Bill Gates est actionnaire. Objectif : concocter un réacteur nucléaire de nouvelle génération censé faire le bonheur des pays émergents en quête de puissance nucléaire civile.

TerraPower travaille au développement de réacteurs de petite taille de type "travelling-wave" (TWR). Principe : le réacteur utilise comme combustible de l'uranium appauvri. Le TWR, un concept qui a commencé à être étudié dans les années 1950, n’utiliserait qu’une petite quantité d’uranium enrichi, chargée au moment de la construction de réacteur et qui servirait à démarrer la réaction en chaîne. Il pourrait ensuite continuer à fonctionner entre 50 et 100 ans à partir d’uranium appauvri, dont d’énormes stocks existent dans le monde. Pas besoin ici d’arrêts de tranche pour rechargement, alors que les réacteurs à eau légère traditionnels nécessitent d'être rechargés en combustible régulièrement (tous les  12 ou 18 mois).

De quoi concurrencer sérieusement l’Atméa, le réacteur de troisième génération de moyenne puissance (1.110 MW),  qu'Areva conçoit avec son partenaire Mitsubishi Heavy Industries (MHI) , et pour lequel GDF Suez sera probablement associé.

Selon le quotidien Nikkei qui a révélé l'information, Bill Gates pourrait investir plusieurs milliards d'euros dans le projet, dont la commercialisation n'est pas prévue avant dix ans. La principale difficulté à surmonter avant de se lancer dans la construction consistera à concevoir des matériaux capables de supporter des réactions nucléaires pendant une période aussi prolongée. Mais Terra Power n’a aucun savoir-faire en matière d’édification de centrales nucléaires, d’où son projet d’alliance avec Toshiba, expert en la matière.

Le successeur du 4S

Toshiba a d’ailleurs déjà développé un réacteur ultra-compact, connu sous le nom de Super-Safe, Small and Simple (4S), conçu pour fonctionner en continu pendant 30 ans. Le groupe japonais prévoit de commencer la construction de son premier réacteur 4S aux Etats-Unis en 2014 après avoir obtenu les autorisations nécessaires. Toshiba estime que 80% des technologies utilisées dans son réacteur 4S peuvent être appliquées aux TWR.

Le japonais compte bien prendre sa part de la manne à venir du renouveau nucléaire : il espère que ses activités atomiques lui rapporteront 8 milliards d’euros de chiffre d’affaires par an à l’horizon 2015, soit deux fois plus qu’actuellement.

La fusion nucléaire dans un appartement

 ( réacteur nucléaire à fusion « froide » (à température ambiante) pour produire de l’énergie)