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Réinventer la photosynthèse

PASADENA – Pendant des décennies, le développement de sources d’énergie renouvelable – et les débats de politiques publiques qui l’entourent – a surtout porté sur la production d’électricité. Pourtant plus de 60 % de l’énergie mondiale tire sa source directement de combustibles chimiques (principalement d’origine fossile), sans conversion intermédiaire en électricité. Aucune initiative réaliste pour contrer le réchauffement planétaire par la réduction des émissions de carbone ne peut ignorer cette contrainte fondamentale.

En fait, aux États-Unis et dans les autres pays industrialisés, bon nombre d’activités qui reposent sur les combustibles fossiles (comme le transport aérien ou la production d’aluminium) ne peuvent être restructurées pour fonctionner avec l’alimentation électrique. En outre, les combustibles fossiles sont également nécessaires à la production d’électricité, tant pour répondre à la demande que pour compenser l’intermittence des systèmes d’énergie renouvelable comme l’énergie éolienne ou solaire. Existe-t-il vraiment une option énergétique à faible émission de carbone de même magnitude que les combustibles fossiles ?

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Une filière prometteuse, la photosynthèse artificielle, utilise des matériaux non biologiques pour produire des combustibles directement du rayonnement soleil. L’éclairage du soleil est une source d’énergie pratiquement inépuisable, alors que l’énergie conservée sous la forme de liaisons chimiques – comme celle obtenue dans les combustibles fossiles – est facilement accessible et à haut rendement. La photosynthèse artificielle conjugue ces deux caractéristiques dans une technologie viable susceptible d’offrir les mêmes paramètres en matière de sécurité énergétique, de pérennité environnementale et de stabilité économique.

Même si la photosynthèse naturelle offre une solution élégante, quoique complexe, pour la production de combustibles chimiques à partir des rayons du soleil, elle comporte d’importantes limites sur le plan du rendement. Le dixième environ de l’énergie solaire de pointe est utilisé ; le rendement typique de conversion nette d’énergie est inférieur à 1 % sur une base annuelle ; d’importantes quantités d’énergie sont dépensées pour régénérer et maintenir l’intérieur de la superbe mécanique moléculaire de la photosynthèse ; et l’énergie doit être stockée en combustibles chimiques incompatibles avec la structure énergétique existante.

Cependant, la photosynthèse artificielle, inspirée de sa variante naturelle, présente un rendement potentiel nettement supérieur et fournit une énergie dans une forme qui peut s’insérer à notre infrastructure énergétique actuelle. De plus, un système complètement artificiel n’aurait pas besoin de terres arables ou d’eau potable, et n’obligerait pas à choisir entre les aliments et la production de carburant dans l’utilisation du territoire.

Les technologies d’énergie actuelles peuvent déjà être combinées pour la production efficace de carburants chimiques, quoiqu’indirectement, à partir de la lumière du soleil, mais pas encore dans une configuration qui peut à la fois être pratique, mise à l’échelle et économiquement réalisable. De même, un système entièrement intégré de conversion du rayonnement solaire en énergie aurait un rendement total de plus de dix fois supérieur au système biologique le plus efficace énergétiquement, mais les coûts en capital sont encore trop élevés pour un déploiement commercial. La priorité des chercheurs doit donc porter sur le développement d’un générateur fiable pouvant produire à grande échelle du carburant à partir de l’énergie solaire, et ce, économiquement et efficacement.

La clé pour créer un tel système réside dans l’utilisation de matériaux dont la Terre abonde et qui peuvent effectuer les fonctions essentielles d’absorption de la lumière et de facilitation de la production de carburant par des réactions chimiques. De la même façon dont la chlorophylle sert à absorber la lumière dans la photosynthèse naturelle, des matériaux spéciaux sont nécessaires pour capturer et convertir la lumière du soleil dans ces systèmes artificiels. Évidemment les propriétés d’absorption de la lumière du silicium sont bien adaptées aux cellules photovoltaïques, mais le faible 0,5 V généré est trop faible pour séparer l’hydrogène de l’oxygène de l’eau contenue dans un réacteur solaire.

Un système artificiel requiert également des catalyseurs pour faciliter la production efficace de combustibles chimiques. Ces catalyseurs doivent être très actifs, stables, et, pour être répliqués à l’échelle mondiale, composés d’éléments dont la Terre foisonne, comme le fer, le nickel ou le cobalt, et non les métaux rares utilisés actuellement, comme le ruthénium ou l’iridium.

En outre, les composants du système doivent être intégrés pour faire en sorte qu’ils fonctionnent de façon optimale sous un ensemble de conditions générales communes. Pour être déployé à grande échelle le système devra aussi incorporer des architectures efficaces sur le plan des coûts, des processus de fabrication et des méthodes d’installation.

Plus important encore, le fonctionnement de ces systèmes doit être sécuritaire. Dans la plupart des réalisations de technologies de photosynthèse artificielle, des carburants à haute densité d’énergie sont produits en conjugaison à l’oxygène, produisant des mélanges explosifs dangereux. Il est nécessaire de mettre au point des membranes, ou d’autres barrières physiques et chimiques, afin d’assurer la séparation des sous-produits. De tels dispositifs de séparation élimineraient également les équipements périphériques complexes de traitement nécessaires à la séparation des produits avant de pouvoir les utiliser dans la plupart des applications.

À quoi donc ressemblerait un système de photosynthèse artificielle ? Le système idéal n’est pas un panneau solaire branché à une cellule d’électrolyse, mais prendrait plutôt la forme d’un enroulement de films flexibles, ressemblant aux matériaux tissés des imperméables, qui peuvent être déroulés à la demande. Le matériau de la couche supérieure absorberait l’eau et le dioxyde de carbone de l’air ambiant, pendant que la couche opposée capterait la lumière afin d’exploiter l’énergie solaire pour la production d’un carburant. Isolé par la membrane, le combustible ne se dissiperait pas dans l’air, mais serait plutôt absorbé vers la portion inférieure du matériau pour aboutir dans un réservoir permettant de l’utiliser à la demande dans les réseaux existants de distribution d’énergie.

Idéalement, la production de carburant solaire devrait pouvoir offrir un large éventail de combustibles chimiques pouvant être produits à partir de la lumière du soleil. Dans sa plus simple expression, l’eau est séparée en hydrogène et oxygène gazeux. L’hydrogène pourrait être ensuite intégré dans un combustible liquide pour valoriser, par exemple, les biocarburants ; il pourrait aussi entrer en réaction chimique avec le dioxyde de carbone issu des émissions de gaz ou bien être traité pour produire des carburants liquides employés dans des applications de transport. Une autre possibilité serait de se servir de catalyseurs, comme dans les systèmes photosynthétiques naturels, afin de réduire directement le dioxyde de carbone, dans ce cas-ci le méthanol ou le méthane. Les systèmes les plus efficaces pourraient fournir des combustibles sous forme gazeuse ou liquide.

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Les percées récentes de la nanoscience, de la science des matériaux, de la chimie et de la physique ont fourni les outils nécessaires aux progrès rapides dans ce domaine. La récompense ultime serait une technologie d’énergie propre et accessible qui pourrait servir à l’avenir de base à des sources d’énergie sûres, sécuritaires et viables.

Traduit de l’anglais par Pierre Castegnier.