La quête d’énergie durable conduit à des découvertes inhabituelles

La consommation mondiale d’énergie augmente à un rythme accéléré. En 2023, cette croissance était de 2,2 %, comparée à une moyenne annuelle de 1,5 % entre 2010 et 2019.

Ce taux plus rapide de consommation d’énergie est principalement tiré par la Chine, qui, à +6,6 %, était deux fois supérieure à sa moyenne 2010‑2019. D’autres contributeurs incluent l’Inde, l’Iran, le Brésil, les Émirats arabes unis, l’Algérie, le Vietnam et l’Indonésie. En revanche, la consommation d’énergie a diminué au Japon, en Corée du Sud, en Afrique du Sud et dans l’UE et est restée stable aux États‑Unis.

Dans l’ensemble, la consommation mondiale d’énergie a augmenté d’environ un tiers depuis 2000. Actuellement estimée à 580 millions de térajoules, cette consommation énergétique annuelle mondiale devrait atteindre 740 millions de térajoules d’ici 2040.

Cependant, le point le plus préoccupant est que la grande majorité de cette énergie—83%—provient des combustibles fossiles, le pétrole étant la principale source d’énergie, suivi du charbon et du gaz naturel, qui émettent d’énormes quantités de CO₂ dans l’atmosphère.

Cela appelle à un besoin urgent d’innover dans l’énergie verte. Bien que l’énergie renouvelable devrait croître, cette augmentation n’est que de 4 %, la portant à 6 % de la consommation énergétique primaire mondiale.

Ainsi, dans ce contexte de besoin mondial de transformer le système énergétique, l’énergie solaire est apparue comme un potentiel moteur de changement. Cela s’explique par le fait que l’énergie générée par le soleil a le potentiel d’alimenter le monde entier et davantage.

La Terre n’a besoin que de quelques heures d’énergie solaire pour fournir à l’ensemble du monde l’énergie nécessaire pendant une année complète.

C’est également la source d’énergie renouvelable la plus propre et la plus abondante disponible. De plus, elle présente l’avantage de décarboniser, de réduire les coûts énergétiques, d’avoir un impact environnemental bien moindre et d’offrir un meilleur accès à l’énergie et une plus grande sécurité.

Bien sûr, plusieurs défis sont associés à l’exploitation de l’énergie solaire ; sinon, nous l’utiliserions déjà largement. En plus du défi principal de l’intermittence solaire, puisque le soleil ne brille pas toute la journée, il existe des défis supplémentaires liés à l’emplacement, aux solutions de stockage et à la technologie requise pour exploiter cette énergie.

Lorsqu’il s’agit d’exploiter l’énergie solaire, il existe plusieurs méthodes pour capter le rayonnement solaire et le convertir en énergie.

Une méthode consiste à utiliser l’énergie solaire active, qui implique l’utilisation de dispositifs électriques ou mécaniques pour convertir activement l’énergie solaire en une autre forme d’énergie. Cela est réalisé grâce aux photovoltaïques (PV) ou à l’énergie solaire concentrée (CSP).

En PV, la lumière du soleil est convertie en électricité à l’aide de matériaux semi-conducteurs qui présentent l’effet photovoltaïque. La technologie PV est plus communément connue sous le nom de panneaux solaires, qui sont un ensemble de cellules solaires, chacune contenant un semi-conducteur qui crée un courant électrique en absorbant la lumière du soleil.

En CSP, des lentilles et des miroirs concentrent la lumière du soleil d’une grande surface vers une zone beaucoup plus petite afin de générer de l’électricité. Les fours solaires, qui comprennent différents types, notamment les tours solaires et les trémies paraboliques, sont un exemple d’énergie solaire concentrée.

Une autre méthode consiste à utiliser l’énergie solaire passive, qui n’emploie pas de dispositifs externes mais tire parti du climat local. Par exemple, concevoir un bâtiment pour recevoir une quantité souhaitable de lumière solaire et construire des bâtiments avec isolation thermique sont des exemples de cette méthode. D’autres exemples incluent les toits réfléchissants et les toits verts.

Cependant, ce n’est pas la fin des techniques d’exploitation de l’énergie solaire. Étant donné son vaste potentiel, les chercheurs explorent constamment de nouvelles façons de capter l’énergie solaire et de la convertir en énergie utile, ainsi que de la rendre rentable et plus efficace afin qu’elle puisse réellement être utile dans notre vie quotidienne.

Générer de l’électricité solaire à partir de téléphones & voitures  

Des chercheurs de l’Université d’Oxford ont récemment réalisé un développement intéressant dans le domaine de la technologie solaire. Grâce à cette technologie, l’électricité solaire peut être générée à partir des surfaces des voitures et des téléphones mobiles.

Source: Oxford University

Oui, vous avez bien entendu : au lieu d’installer des rangées et des rangées de panneaux solaires à base de silicium, on peut générer des quantités croissantes d’électricité solaire simplement grâce à des objets du quotidien.

Cette innovation est rendue possible par un nouveau matériau générateur d’énergie appliqué sur les surfaces de ces objets. Le matériau absorbant la lumière est suffisamment fin et flexible pour être appliqué sur presque n’importe quelle surface. Cette approche révolutionnaire consiste à empiler plusieurs couches absorbant la lumière dans une seule cellule solaire.

Pour cela, des scientifiques du département de physique de l’Université d’Oxford ont mis au point une technique qui leur a permis d’exploiter une plus large partie du spectre lumineux, générant ainsi plus d’énergie à partir de la même quantité de lumière solaire.

Le matériau, pérovskite à film mince, a également été certifié de manière indépendante par le National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) du Japon, affichant une efficacité énergétique supérieure à 27 %. Ces chiffres correspondent aux performances des photovoltaïques au silicium, qui sont des matériaux générateurs d’énergie traditionnels à couche unique.

Selon les chercheurs, après seulement cinq ans d’expériences utilisant l’approche multi-junction ou d’empilement, ils ont augmenté l’efficacité de conversion énergétique d’environ 21 %. Cela signifie qu’à partir d’une efficacité initiale d’environ 6 %, ils peuvent désormais convertir plus de 22 % de l’énergie solaire.

“(Leur technique) pourrait permettre aux dispositifs photovoltaïques d’atteindre des efficacités bien plus élevées, dépassant 45 % (à l’avenir).”

Outre l’efficacité énergétique, la polyvalence du matériau est un autre facteur crucial. Le matériau est ultra‑mince, légèrement plus d’un micron (0,001 mm) d’épaisseur, ce qui le rend près de 150 fois plus fin qu’une plaquette de silicium. Les plaquettes de silicium ont généralement une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 400 microns (0,4 mm), tandis que la gamme de 2 à 25 microns est utilisée à des fins scientifiques spécifiques.

Cette finesse du nouveau matériau signifie qu’il peut être appliqué non seulement à n’importe quel objet ou bâtiment commun, mais essentiellement à presque toute surface, contrairement aux photovoltaïques existants.

(Ils ont) montré que nous pouvons reproduire et surpasser le silicium tout en gagnant en flexibilité. C’est important car cela promet plus d’énergie solaire sans le besoin d’autant de panneaux à base de silicium ou de fermes solaires spécialement construites.

Cette nouvelle approche devrait faire du solaire la forme d’énergie renouvelable la plus durable et réduire davantage les coûts, qui ont déjà chuté de jusqu’à 90 % au cours des 14 dernières années.

Selon le Forum économique mondial, en 2010, le coût moyen mondial sans subventions pour produire un mégawattheure d’électricité à partir de photovoltaïques solaires était de 378 $, ce qui est tombé à seulement 68 $ en 2019. L’énergie solaire est désormais moins chère que le charbon et le nucléaire et presque aussi économiquement efficace que l’éolien terrestre. Alors que le coût de l’énergie éolienne a également diminué pendant cette période, le nucléaire et le charbon ont soit augmenté, soit enregistré une légère baisse.

Aujourd’hui, des innovations comme le pérovskite à film mince promettent des économies supplémentaires en réduisant le besoin de panneaux en silicium et de fermes solaires spécialement construites.

Selon les chercheurs, cette dernière innovation peut devenir une industrie à part entière pour fabriquer des matériaux et générer de l’énergie solaire de manière bon marché et durable en utilisant des objets existants.

‘Feuille artificielle’ pour produire du carburant propre

Les scientifiques ne se contentent pas de rendre possible la production d’électricité solaire à moindre coût à l’aide d’objets du quotidien, ils reconfigurent également la photosynthèse et, ce faisant, révolutionnent la façon dont nous générons des carburants propres.

En 2019, des chercheurs de l’Université de Cambridge ont établi une nouvelle référence lorsqu’ils ont réussi à créer du gaz de synthèse avec une feuille artificielle simplement en utilisant la lumière du soleil, le dioxyde de carbone et l’eau.

Source: Cambridge University

Le gaz de synthèse est un gaz issu de combustibles fossiles, un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone, utilisé pour créer des plastiques, des produits pharmaceutiques, des carburants et des engrais. Puisque nous sommes habitués à produire des produits que nous consommons chaque jour, il est crucial de trouver des moyens de le « produire de manière durable ».

Voici donc la feuille artificielle, un dispositif neutre en carbone alimenté par la lumière du soleil qui ne libère pas de CO₂ dans l’atmosphère. De plus, malgré son fonctionnement à l’énergie solaire, la feuille artificielle fonctionne efficacement même par temps couvert et nuageux.

Inspirés par la photosynthèse, processus naturel par lequel les plantes utilisent l’énergie lumineuse du soleil pour transformer le dioxyde de carbone et l’eau en nourriture, les chercheurs ont combiné deux absorbeurs de lumière sur la feuille artificielle avec un catalyseur à base de cobalt. Lorsqu’elle est immergée dans l’eau, l’un des absorbeurs produit de l’oxygène avec l’aide du catalyseur, tandis que l’autre réalise la réaction chimique, réduisant l’eau et le CO₂ en hydrogène et monoxyde de carbone, qui forment le gaz de synthèse.

Parce que les absorbeurs de lumière fonctionnent même sous de faibles niveaux d’ensoleillement, cette technologie peut être utilisée toute la journée et partout dans le monde.

Bien que d’autres dispositifs de feuilles artificielles aient été développés, les chercheurs de Cambridge ont noté qu’ils ne produisent que de l’hydrogène, contrairement à leur propre dispositif, qui peut produire du gaz de synthèse grâce à la combinaison de matériaux et de catalyseurs qu’ils ont utilisés.

Le matériau utilisé pour le catalyseur moléculaire était le cobalt, qui est moins coûteux, abondant et meilleur pour produire du monoxyde de carbone que d’autres catalyseurs comme le platine ou l’argent.

Par ailleurs, leurs absorbeurs de lumière étaient fabriqués à partir de pérovskite plutôt que de silicium ou de matériaux sensibilisés par des colorants. Les absorbeurs de lumière en pérovskite fournissaient une haute photovoltage et un courant électrique pour alimenter la réaction chimique, qui réduisait le CO₂ en CO.

L’étape suivante après le gaz de synthèse est de développer un carburant liquide durable en remplacement de l’essence. Au lieu de produire du gaz de synthèse puis de le convertir en carburant liquide, l’étude vise à fabriquer le carburant liquide directement à partir du dioxyde de carbone et de l’eau.

Étant donné que l’électricité ne peut satisfaire qu’une fraction de la demande énergétique mondiale totale, le pétrole synthétique peut constituer un développement crucial, a déclaré le co‑auteur principal le professeur Erwin Reisner du département de chimie de Cambridge, soulignant la « demande majeure de carburants liquides pour alimenter durablement le transport lourd, le transport maritime et l’aviation ».

Au cours des dernières années, Reisner a travaillé avec son groupe pour développer une nouvelle feuille artificielle capable de produire immédiatement de l’éthanol et du propanol propres sans passer d’abord par le gaz de synthèse. Cela a été réalisé en développant un catalyseur à base de cuivre et de palladium.

« Être capable de) produire un carburant liquide pratique uniquement en utilisant la puissance du Soleil » (cela) constitue une avancée passionnante qui ouvre de nouvelles perspectives dans notre travail.

Pour l’instant, le dispositif n’est qu’une preuve de concept. Les chercheurs travaillent à optimiser les feuilles pour mieux absorber la lumière solaire, à affiner le catalyseur afin de convertir davantage de lumière solaire en carburant, et finalement à rendre le dispositif évolutif pour produire de grands volumes de carburant.

Le professeur Reisner a d’ailleurs reçu une chaire de la Royal Academy of Engineering en technologies émergentes plus tôt cette année. Cette subvention de 2,5 million de livres permettra à son équipe de faciliter la transition du laboratoire au marché des technologies chimiques solaires.

Alors que l’équipe de Reisner travaille à rendre son produit évolutif, Yimin Wu, professeur d’ingénierie à l’Université de Waterloo, a publié un autre article à la même période que la recherche sur le gaz de synthèse. Cet article a également créé une « feuille artificielle » qui convertit à moindre coût le CO₂ nocif en un carburant alternatif utile.

Encore une fois, inspirée par le processus de photosynthèse, la feuille artificielle a produit du méthanol et de l’oxygène, contrairement à la plante naturelle qui produit du glucose et de l’oxygène.

L’ingrédient clé était l’oxyde cuivrique, une poudre rouge optimisée, conçue pour avoir des particules à huit faces. Il résulte de l’ajout d’acétate de cuivre, de glucose, de dodécylsodium et d’hydroxyde de sodium sulfate à de l’eau chauffée à une température spécifique.

Lorsqu’il est mélangé à de l’eau et exposé au CO₂, il agit comme déclencheur d’une autre réaction chimique, produisant de l’oxygène et convertissant le CO₂ en méthanol. Un simulateur solaire a été utilisé pour projeter de la lumière blanche. Au fur et à mesure que la solution était chauffée, la réaction recueillait le méthanol, qui s’évaporait.

Points quantiques pour créer des fenêtres solaires à double vitrage

Un autre développement dans ce domaine a été les points quantiques, qui sont de petites particules semi-conductrices de 2 à 10 nanomètres. Leur petite taille leur confère des propriétés électroniques et optiques uniques, les rendant polyvalents.

Dans le cadre de recherches au Los Alamos National Laboratory, des points quantiques ont été intégrés dans le verre des fenêtres pour générer de l’électricité. Ces points quantiques « designer » absorbent la lumière du soleil et la convertissent en énergie sans affecter la transparence des fenêtres.

Cette innovation permet essentiellement à des bâtiments entiers de devenir des générateurs d’énergie solaire sans nécessiter de panneaux solaires traditionnels, qui sont coûteux et occupent beaucoup d’espace.

Source: Los Alamos National Laboratory

Selon le chercheur principal Victor Klimov, les fenêtres à double vitrage à base de points quantiques offrent une approche novatrice pour réduire les coûts grâce aux performances élevées qui peuvent être obtenues avec ces « matériaux à faible coût et traitables en solution ».

Cette nouvelle méthode ne remplace pas la technologie PV actuelle. Des collecteurs de lumière solaire efficaces sont simplement ajoutés aux panneaux solaires existants. Ils peuvent également être intégrés comme fenêtres semi‑transparentes dans l’architecture d’un bâtiment.

Alors que les panneaux photovoltaïques actuels atteignent une efficacité d’environ 25 %, les points quantiques offrent le potentiel de dépasser cela en utilisant la multiplication de porteurs.

Un panneau solaire photovoltaïque typique absorbe un photon de lumière et libère un électron, qui devient de l’énergie. Cependant, grâce à la multiplication de porteurs et à l’incorporation d’ions manganèse magnétiques, les panneaux solaires à base de points quantiques produisent plus de deux électrons pour chaque photon qu’ils absorbent.

Cependant, au cœur de cette avancée technique se trouve le « fractionnement du spectre solaire », qui sépare le traitement des photons solaires à haute et basse énergie.

Cela a été réalisé en incorporant des ions de manganèse dans les points quantiques pour servir d’impuretés hautement émissives. Lorsque les points quantiques absorbent la lumière, les impuretés sont activées, ce qui conduit les ions de manganèse à émettre de la lumière à des énergies inférieures au seuil d’absorption des points quantiques.

Maintenant, pour transformer une fenêtre en collecteur tandem luminescent de lumière solaire, les chercheurs déposent une couche de points quantiques dopés au manganèse hautement émissif sur la surface de la vitre avant. Parallèlement, une couche de points quantiques à base de séléniure de cuivre et d’indium a été déposée sur la surface de la vitre arrière.

De cette façon, la couche avant absorbe les parties bleues visibles et ultraviolettes du spectre solaire tandis que la couche inférieure capte le reste. Une fois absorbés, les points quantiques réémettent les photons à une longueur d’onde plus longue. La lumière réémise est guidée par réflexion interne totale vers les bords du verre de la fenêtre, où les cellules solaires intégrées collectent la lumière et la convertissent en électricité.

De plus, l’équipe de Klimov explore également comment les points quantiques peuvent être utilisés pour produire de l’ammoniac, qui représente plus de 2 % de la consommation énergétique mondiale. Dans cette application particulière, ils utilisent des points quantiques et la lumière du soleil pour générer des « électrons libres » au lieu de lumière via la photoémission.

Examinons maintenant deux grandes entreprises du secteur de l’énergie solaire.

#1. NextEra Energy

Largement reconnue comme un leader dans le domaine des énergies renouvelables, NextEra Energy (NEE ) a affiché un revenu net de 552 millions de dollars et un revenu ajusté de 865 millions de dollars au deuxième trimestre 2024.

Ils ont ajouté 3 GW à leur capacité d’énergie renouvelable, incluant d’importants développements solaires, projetant une trajectoire de bénéfices ascendante jusqu’en 2027 avec des attentes d’augmentation annuelle du bénéfice ajusté par action.

#2. First Solar

First Solar (FSLR ) se spécialise dans la fabrication de panneaux solaires et la fourniture de services complets de centrales photovoltaïques. Leur utilisation innovante de la technologie à semi-conducteur à film mince les distingue dans l’industrie solaire.

Sur le plan financier, First Solar a déclaré des revenus de 3,56 milliards de dollars et un revenu net de 1,02 milliard de dollars au cours du dernier exercice fiscal. Leur focalisation sur la technologie durable et l’expansion sur les marchés internationaux souligne leur position stratégique dans le secteur solaire.

Conclusion

Ces dernières innovations représentent une avancée majeure et importante dans la réalisation du plein potentiel de l’énergie solaire. L’énergie solaire est une ressource propre et renouvelable qui offre une alternative puissante aux combustibles fossiles, qui polluent l’environnement.

Avec la demande énergétique mondiale qui devrait augmenter l’année prochaine et l’énergie solaire durable disponible en abondance, il est impératif d’utiliser cette source illimitée d’énergie propre. Cependant, l’énergie solaire ne représente actuellement qu’un pourcentage très faible (unique) de la production mondiale totale d’électricité provenant de toutes les sources. Cela souligne le besoin urgent de recherches, de développements et de collaborations continus entre les gouvernements et les organisations afin de réellement promouvoir l’utilisation de l’énergie solaire et d’alimenter le monde entier.

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