La nanotechnologie sauvera-t-elle la planète ?
La compagnie Nanosolar, appuyée financièrement par les fondateurs de Google, prévoit de construire dans la Silicon Valley la plus grande usine de fabrication de cellules solaires au monde. Ces cellules ne seront pas au silicium mais exploiteront la technologie cuivre-indium-sélénium (CIS) qui n’utilise qu’une couche active extrêmement fine, une caractéristique qui rend ces cellules peu gourmandes en matériaux de fabrication et facilement adaptables aux supports flexibles. C’est un procédé novateur (1) issu de la nanotechnologie qui a permis de fortement rentabiliser la production, une rentabilité qui aura pour conséquence de faire baisser le prix du kWh solaire. Cette percée est un signe révélateur du potentiel industriel des nanotechnologies dans le domaine énergétique, il préfigure probablement une nouvelle ère pour notre gestion de l’énergie.
Il ne fait plus guère de doutes aujourd’hui que l’utilisation outrancière de l’énergie fossile est devenue une menace imminente pour l’équilibre de notre biosphère. Pas de doute non plus sur la nature de la « délivrance » qui viendra d’une avancée technologique déterminante capable de produire une énergie propre et sûre à moindre coût. Mais de quelle nature sera cette innovation ?
On a beaucoup parlé ces derniers temps de la fusion nucléaire (programme Iter), mais les difficultés techniques à surmonter pour maîtriser cette énergie sont colossales, si bien que de telles centrales ne verront probablement pas le jour avant la seconde moitié du siècle. On a également parlé d’améliorer puis de multiplier les centrales nucléaires classiques, mais leurs coûts en terme de maintenance, de gestion des déchets, de démantèlement et de risques limite fortement leur prolifération. Plus accessibles sont les petites unités de productions d’énergie renouvelable comme les parcs éoliens ou les fours solaires, mais le nombre considérable de ces petites unités qu’il serait nécessaire de construire est exorbitant (sans doute plus de dix mille, rien qu’en France), ce qui est difficilement gérable et fort coûteux en espace et en matériaux de fabrication.
En fait, la révolution technologique la plus prometteuse dans un futur proche n’appartient pas au domaine des grosses ou moyennes structures mais plus probablement à celui des nanostructures. La nanotechnologie (associée à la chimie, voire à la biologie) connaît en effet une telle progression qu’elle pourrait bien dépasser celle de la physique lourde et aboutir prochainement à des microcomposants (utilisables en quantités astronomiques) capables de produire et de stocker l’énergie solaire aussi efficacement que des cellules biologiques spécialisées. L’utilisation des nanostructures permettrait ainsi une grande flexibilité et une grande économie de matériaux car une simple couche d’un micromètre d’éléments actifs est théoriquement suffisante. Avec son projet d’usine, la compagnie Nanosolar vient de montrer qu’il est désormais tout à fait possible de trouver, dans ce domaine, des solutions technologiques associant performance et coût de production, dès lors le marché des cellules photovoltaïques pourrait bien connaître prochainement une explosion semblable à celle qui secoua en son temps la microinformatique.
Vers quoi pourrait nous mener cette révolution ? Si le nombre d’unités individuelles de production d’électricité solaire parvient un jour à égaler ou à dépasser celui des micro-ordinateurs, et si nous trouvons des solutions viables pour le stockage de cette énergie, on pourrait s’acheminer vers une transformation complète de notre gestion énergétique : d’une part notre consommation sera à 100% électrique, et d’autre part notre réseau passera d’un système centralisé vers un système décentralisé, c’est-à-dire qu’à l’instar de l’information aujourd’hui, l’électricité pourra s’échanger et se réguler via un réseau électrique de type Internet.
Notons que la nature, qui a la réputation d’être parfaitement optimisée, gère son énergie de façon similaire : l’énergie du soleil est en effet convertie en énergie chimique par photosynthèse dans une infinité de petits générateurs individuels (les plantes, dont les feuilles sont des sortes de panneaux solaires), cette énergie chimique est ensuite stockée en partie dans la plante, sous forme de glucides, et en partie dans l’atmosphère sous forme de molécules d’oxygène afin de la rendre accessible à tous les êtres vivants (réseau aérien).
Mais avant d’en arriver là, de nombreux progrès restent encore à faire. Pour y parvenir, rien de tel qu’une recherche dynamique et inventive comme celle qui anime actuellement le petit monde de la nanotechnologie. Un peu partout, des chercheurs parviennent en effet à trouver des solutions de stockage et de production d’énergie toujours plus efficaces et originales. Sur le stockage on peut citer par exemple l’utilisation étonnante de bactéries comme catalyseur dans les piles à hydrogène (2), ou cette innovation encore plus prometteuse qui consiste à utiliser des nanotubes pour créer des supercondensateurs (3). Pour la production d’électricité solaire, citons le cas remarquable de cette « peinture photovoltaïque » contenant des polymères (4) ou encore ces cellules solaires fonctionnant grâce à des protéines d’épinard (5). Ne doutons pas que l’émergence de solutions économiquement viables ne soit plus qu’une question de temps...
Voyons maintenant la pertinence quantitative d’une telle décentralisation de l’énergie. Prenons les chiffres de la consommation énergétique totale d’un pays développé comme la France (6) :
Energie primaire totale utilisée (secteur énergétique compris) : 135 kWh/jour par habitant
consommation finale énergétique (hors secteur énergétique) : 80 kWh/jour par habitant
La différence vient essentiellement du très faible rendement des centrales électriques. Avec une énergie renouvelable comme le soleil, des véhicules électriques et une meilleure isolation des bâtiments, il serait théoriquement possible de diviser par deux l’énergie totale consommée en France, passant de 80 kWh/jour par habitant à seulement 40 kWh/jour par habitant.
L’ensoleillement moyen en France est de 4 kWh/m2 par jour (de 2 à 7 kWh/m2 dans le monde), il suffit donc, toujours en théorie, que chaque être humain réserve une surface d’au moins 10 m2 pour collecter l’énergie solaire. Dans la pratique la rentabilité des futurs panneaux solaires n’excédera probablement pas les 50% (il est actuellement de 36% dans les laboratoires), ce qui implique une surface d’au moins 20m2 par personne. Il se trouve que cette surface est du même ordre de grandeur que la surface de toiture par habitant (l’inverse de la densité d’une ville comme Paris donne 50m2 par habitant, soit environ 20m2 de toiture en tenant compte de la voirie). Quantitativement parlant, cette perspective n’est donc pas une utopie.
Reste que pour qu’une telle entreprise réussisse, il sera nécessaire de moderniser profondément l’industrie du bâtiment : elle devra notamment s’adapter pour intégrer complètement les nouveaux matériaux dans ses structures, que ce soit dans le domaine de la production d’électricité photovoltaïque (tuiles, vitrage, peinture...) ou dans celui du stockage (pile à combustible ou supercondensateurs intégrés dans les murs et les planchers des bâtiments).
Si la quantité d’énergie ainsi collectée n’est toujours pas suffisante, et dans l’hypothèse qu’on aboutisse effectivement un jour à des matériaux photovoltaïques aussi malléables qu’une peinture, il faudrait étendre cette initiative à toutes les infrastructures de la voirie et, à la limite, pourquoi ne pas imaginer l’asphalte photovoltaïque ? Les routes de France représentent une surface de l’ordre de 4 milliards de m2, en termes d’énergie solaire cela représente en pratique plus de 150kWh/jour et par habitant, soit plus de trois fois nos besoins énergétiques... De plus un tel système ferait d’une pierre deux coups puisque le réseau électrique et le réseau routier se confondraient (sans parler du fait que la surface d’un réseau routier est proportionnelle aux besoins énergétiques d’un pays).
Pour conclure, tournons-nous vers la planète Mars : actuellement il y a sur cette planète deux véhicules robotisés qui explorent sa surface depuis plus de trois ans, alors que leur espérance de vie initiale était estimée à seulement trois mois. La raison de ce succès réside dans deux innovations issues de la nanotechnologie : la première est la grande efficacité des panneaux solaires, la seconde est un matériau isolant aérogel qui permet aux robots de ne rien gaspiller de cette énergie. Il était prévu pour le robot de la seconde génération d’embarquer un petit réacteur nucléaire, mais devant le succès phénoménal de la solution solaire, les décideurs de la Nasa hésitent (7)...Ces robots martiens seraient-ils en train de nous dicter la marche à suivre pour la gestion énergétique de notre planète ?
Notes
1. Nanoquebec
3. Sciencentral
4. Courrier international du 7 avr. 2005 (n° 753)
56 réactions
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Fillaam
3 février 2007 15:53
Tu as oublié l’aérothermie (ou géothermie), l’éolienne, la voiture électrique et le chanvre...pour s’habiller bien sûr !
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noireb
27 janvier 2007 17:36
Compression d’air et electrolyse n’ont pas vraiment un rendement optimal.
Les supra conducteurs semblent prometteurs, a codnition de pouvoir les produire en masse un jour !
Des etudes sont faites pour conferer des propriétés supra conductrice a des materiaux faciles a produire.
On verra ce que ca donne, patience. Sauvons la recherche !
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Atlantis
23 janvier 2008 11:03
entièrement d’accord avec goeland. la durée de vie (nombre cycles-charge décharge, et même la limitation de l’auto décharge (par roue sous vide : moins de frein aérolique), la facilité de conception et réparation, ... tout fait de ce type de stockage fixe (sur du mobile c’est impossible : effet gyrospique) une solution de stockage électrique nettement plus intéressante que toutes les autres.
en fait pour moi je ne voit qu’une seule limitation : toujours contre balancer une roue avec une autre en sens inverse. sinon en utilisation à long terme et en masse je sais pas quel effet ça aurait sur la rotation de la planète (décalage de l’axe notamment).
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Fillaam
3 février 2007 16:46
D’abord, je voudrais voous dire quelle ne fut pas ma surprise quand j’ai récupérer un vieil aimant qui traînait sur le bord d’une fenêtre : j’ai retrouvé quelques grammes de poussières de métaux, c’est pas rassurant de savoir qu’en ville on respire de tout. Tout ce qui est créé doit être conçu dans l’optique où il sera démantelé un jour l’autre, et avec le moins de coût possible : c’est le problème du recyclage (artificiel) et du cyclage (naturel). Tout est recyclable quand on y met le prix ou le temps.
Autre problème, celui de l’utilisation qu’en fera l’homme, et là c’est plus triste car l’homme qui entreprend ne le fait jamais par humanisme ou altruisme, mais par profit.
je voudrais citer bboydragon qui sur son blog rapporte une information : http://bboydragon.skyblog.com/70.html
" !!! NANOTECHNOLOGIES : UN MICRO-DRONE ESPION FRANCAIS EST EN COURS DE DEVELOPPEMENT !!!
Chers amis,
Il y a une ou deux semaines, je vous postais un article concernant l’armée israélienne et qui signalait que les militaires avaient mis au point un nano-frelon capable de filmer, de pister et... de TUER une personne. Preuve que les applications militaires des nanotechnologies sont DEJA là..."
Voilà, désolé de vous refroidir, bienvenue chez l’homme. Qui a dit science sans conscience... Je ne me souviens jamais de la suite !
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noireb
27 janvier 2007 17:41
A ce niveau la decision est purement politique, et non plus scientifique.
Il faut croire que les defenseurs du projet Iter sont meilleurs en comm.
Sinon, il parait que les grands projets scientifiques (laser mégajoule, Iter) ne sont bien souvent que des vitrines pour l’Etat. Enfin, ca c’est un point de vue. Pas le mien, je ne fais que relayer l’info.
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noireb
27 janvier 2007 18:21
Si on parle d’IA, celle-ci sera probablement quantique ET photonique (peut-être même avec des puces biologiques en prime), donc OUI, l’amélioration de la techno est une étape sine-quanon à la simulation d’intelligence.
Par contre je suis pas sur que l’apparition de celle-ci soit synonyme d’espoir. C’est une belle prouesse, mais je ne vois pas encore comment l’intégrer à une vision utopiste de la condition humaine.
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deltarho
24 janvier 2007 16:02
Les nanotechnologies sont effectivement un moyen d’apporter une source extérieure (le soleil ) changant le niveau de l’entropie (permettant de vraies énérgies renouvelables ). Et cela peut rester « propre » notamment pour l’électricité (chauffage, éclairage, force électro-motrice).
C’est préférable au projet ITER dont la faisabilité est douteuse et la rentabilité catastrophique.
Cependant plus nous mettons en oeuvre « l’infiniment petit » moins nous contrôlons les effets pervers (se souvenir du nucléaire et de ses dérivés militaires ), aussi il conviendrait de définir au préalable une charte éthique formelle et intangible.
De plus cette charte est indispensable pour ce qui concerne l’application des nanotechnologies sur l’espèce humaine que ce soit directement ou indirectement (cas de produit ingérés ou de contact).
Il est aussi une condition corollaire, afin de ne pas augmenter la vitesse de délapidation des ressources terrestres (volet matière dans l’hypothèse où le volet énergétique serait résolu), cette condition est d’imposer une décroissance économique ( comprenez bien, messieurs les économistes, une décroissance, c’est au sens littéral une décélération !!)
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Gypse
24 janvier 2007 20:07
L’Indium est extrêmement rare, mais les quantités nécessaires pour la production de cellules CIS sont infinitésimales. Par ailleurs, la technologie CIS n’en est plus au stade de l’expérimentation, différentes entreprises sont en train de se lancer sur le marché. A titre d’exemple, Shell Solar joue tout son développement dessus (http://tecsol.blogs.com/mon_weblog/2006/02/solar_world_ach.html), et a revendu ses unités de production de la filière silicium. Le principal intérêt de cette technologie par rapport au silicium est un meilleur rendement dans des conditions d’éclairage plus faible (début et fin de journée, présence de nuages). A suivre de près...
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Gypse
24 janvier 2007 20:09
Revoici l’adresse du site dont il est question dans mon message précédent : http://tecsol.blogs.com/mon_weblog/2006/02/solar_world_ach.html
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Ivan Gonçalves
26 janvier 2007 15:08
Ce qu’il y a de nanotechnologique et de nouveau dans cette démarche ce n’est pas le principe physique de ces cellules mais le procédé de fabrication, un procédé basé sur la mise au point d’une encre de nanoparticules de CIGS produite par auto-assemblage moléculaire. La frontière entre la chimie et la nanotechnologie est parfois floue, mais plus on avancera dans ce domaine plus la nanotechnologie se démarquera des anciennes disciplines. Nanosolar ne fait qu’illustrer le tout début de l’incursion des nanotechnologies dans l’industrie de l’énergie.
NB : Un autre exemple d’encre solaire
Je viens de découvrir qu’un colloque a eu lieu en novembre 2006 à propos des nanomatériaux pour l’énergie,mais impossible malheureusement d’en savoir plus.
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« qu’on aboutisse effectivement un jour à des matériaux photovoltaïques aussi malléables qu’une peinture »
ou une sorte de film qui engloberait(collerait à) toute la maison , toiture , mur , sol bétonné , et qu’on puisse par l’intermédiaire d’une uc contrôler les longueurs d’ondes d’absorption pour avoir la possibilité de regler la puissance générée par le film et la texture
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herbe
24 janvier 2007 21:25
Oui, c’est prometteur !...
Ce petit film présente un concept de nano usine :
http://www.youtube.com/watch?v=vEYN18d7gHg&eurl=
article détaillé ici : http://www.internetactu.net/?p=6748
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Ivan Gonçalves
26 janvier 2007 16:06
Ce que permet justement la nanotecnologie est une économie de la quantité de matériaux utilisé (ce qui en soit est déjà une économie d’énergie au niveau du transport et de l’extraction de la matière première, ainsi qu’une diminution de la quantité de polluants non recyclable si il y en a), et une économie d’énergie de fabrication, ce qu’elle peut réaliser en utilisant par exemple des processus qui n’ont ni besoin de cloche à vide ni besoins de haute température tout en exploitant au maximum les propriétés naturelles d’auto organisation de la matière. Le prix d’une structure nanotechnologique est plus un prix lié à la valeur des matériaux utilisés, à l’intelligence qu’elle mobilise et au temps de fabrication, qu’à l’énergie primaire consommé.
D’un point de vue plus général ce que je trouve de fondamentale dans la nanotechnologie c’est qu’elle permet d’approcher et d’imiter les processus intimes qui régissent la « mécanique » de la nature. Une telle imitation (qu’on appel le biomimétisme) devrait immanquablement, si elle est appliquée à grande échelle et à long terme, améliorer considérablement la cohérence de notre gestion énergétique et conduire vers un recyclage plus intelligent de la matière.
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Ivan Gonçalves
31 janvier 2007 19:46
@ Mourakami
Oui, c’est vrai que derrière une matière première rare et donc cher il y a de l’énergie dépencé, je n’ai certes pas les données précises pour conclure définitivement (notament la durée de vie de ces cellules et leur degres de recyclage) mais la quantité de matière est si faible que le bilan énergétique est probablement très bon. Le meilleur indice reste le prix car le prix d’une chose est en général proportionnel à l’énergie total qu’il a fallu fournir pour la fabriquer, or le prix de ces nouvelles cellules est cinq à dix fois moindre que celui des cellules au silicium.... Par ailleurs les cellules au CIS ne sont qu’un exemple, il existe d’innombrables autres voies de recherches de solutions nanotechnologique (notament les polymères).
Est-il si impensable de trouver le moyen d’utiliser l’énergie solaire avec des cellules recyclables au bilant énergétique excellant ? La nature y est parvenue, elle nous prouve que c’est possible, cet état de fait ne peut que fortement encourager la recherche dans ce domaine.
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Fillaam
3 février 2007 16:55
Oui, j’ai failli faire la même erreur, l’electricité ne se stocke pas, ni l’énergie d’ailleurs mais c’est un raccourci que l’on avait tous compris ! Ton commentaire se retrouve bien loin de ce qu’il commente.
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Fillaam
3 février 2007 16:58
Et peut-être 2% des océans par des éoliennes off-shore ou des usines marémotrices (à la Nouvelle-Orléans). Au boulot !
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Jean Vladimir
25 septembre 2007 19:08
Oui bien sûr. Vite l’énergie atomique inoffensive et inépuisable, page 8 du site www.savoir-ce-qu-estl-univers-et-ce-que-nous-avons-a-y-faire.net.
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Westgate
27 mars 2011 14:39
Although solar energy isn’t all that economically feasible right now (with a 20-yr time period for most systems to pay for themselves), it’s an up and coming solution. New pv cells already provide 5x the power of the ones in the 1970’s, and that number is only going to increase as technology gets better and better.
Home solar panels are already being made mandatory in some new construction, and this will help things along rather quickly.
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