{"id":441,"date":"2013-10-19T17:48:53","date_gmt":"2013-10-19T15:48:53","guid":{"rendered":"http:\/\/pierrepapon.fr\/?p=441"},"modified":"2013-10-19T18:26:10","modified_gmt":"2013-10-19T16:26:10","slug":"des-materiaux-et-de-la-chimie-pour-la-transition-energetique","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/pierrepapon.fr\/?p=441","title":{"rendered":"Des mat\u00e9riaux et de la chimie pour la transition \u00e9nerg\u00e9tique"},"content":{"rendered":"

La chimie, science souvent mal aim\u00e9e en France, joue un r\u00f4le cl\u00e9 dans la plupart des secteurs de l\u2019\u00e9nergie. A l\u2019occasion de l\u2019ann\u00e9e internationale de la chimie, en 2011, les chimistes ont mis en \u00e9vidence les th\u00e9matiques qui vont structurer la recherche chimique dans les dix prochaines ann\u00e9es et qui ont toutes leur importance pour l\u2019\u00e9nergie. Dans le domaine tr\u00e8s vaste de la transition \u00e9nerg\u00e9tique, la chimie travaille sur cinq fronts\u00a0: – la relation entre les propri\u00e9t\u00e9s (par exemple la conductivit\u00e9 \u00e9lectrique) et les structures des mat\u00e9riaux (une \u00e9lectrode de batterie notamment) \u2013 la synth\u00e8se de mat\u00e9riaux\u00a0 permettant de trouver des propri\u00e9t\u00e9s nouvelles ou d\u2019am\u00e9liorer les performances de mat\u00e9riaux (c\u2019est le cas notamment pour les cellules solaires) \u2013 la cin\u00e9tique de r\u00e9actions via la catalyse (produire de l\u2019hydrog\u00e8ne par exemple) \u2013 l\u2019alliance avec la biologie pour r\u00e9aliser des synth\u00e8ses de g\u00e9nomes (la production de biocarburants) \u2013 des nouvelles r\u00e9actions consommant moins d\u2019\u00e9nergie ou pour extraire des mat\u00e9riaux (le recyclage de terres rares ou le cycle du plutonium pour le nucl\u00e9aire).\"energie_logo_h2\"<\/a><\/p>\n

Si on se limite aux \u00e9nergies renouvelables et au stockage de l\u2019\u00e9nergie, la litt\u00e9rature scientifique r\u00e9cente illustre bien les potentialit\u00e9s de la chimie. S\u2019agissant du solaire photovolta\u00efque, la pr\u00e9occupation est d\u2019abaisser les co\u00fbts des cellules et de trouver des mat\u00e9riaux nouveaux avec des bons rendements (la plupart des cellules au silicium on des rendements sup\u00e9rieurs \u00e0 15%). La chimie du solide propose une solution nouvelle avec un mat\u00e9riau semi-conducteur de la famille des p\u00e9rovskites (en g\u00e9n\u00e9ral ce sont des oxydes m\u00e9talliques) un organom\u00e9tallique compos\u00e9 d\u2019un halog\u00e8ne (le chlore, l\u2019iode ou le brome) et d\u2019un m\u00e9tal comme le plomb ou l\u2019\u00e9tain d\u00e9pos\u00e9 en phase vapeur sur un support (M.Liu et al. \u00ab\u00a0Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapor deposition\u00a0\u00bb, Nature<\/i>, vol. 501, p. 395, 19 September 2013, www.nature.com<\/a>). Le rendement de ces cellules est de 15% avec un voltage sup\u00e9rieur \u00e0 celui du silicium. C\u2019est une nouvelle fili\u00e8re qui est test\u00e9e qui a l\u2019avantage d\u2019\u00eatre facile \u00e0 utiliser \u00e9ventuellement en tandem avec le silicium car elle n\u2019absorbe pas les m\u00eames photons. Les plastiques semi-conducteurs ( le trans-polyac\u00e9tyl\u00e8ne par exemple) sont une autre fili\u00e8re de cellules sur laquelle travaillent les chimistes, leurs rendements pour l\u2019heure ne d\u00e9passent pas 10% mais leur co\u00fbt est moins \u00e9lev\u00e9 que celui du silicium. L\u2019objectif est d\u2019augmenter la mobilit\u00e9 des \u00e9lectrons dans ces mat\u00e9riaux pour \u00e9lever le rendement (il faut \u00e9viter la pr\u00e9sence de microcristaux ou d\u2019agr\u00e9gats dans le mat\u00e9riau avec des polym\u00e8res \u00e0 longue cha\u00eene), des polythioph\u00e8nes (contenant du soufre) \u00e0 longue cha\u00eene rigide ouvrent peut-\u00eatre des perspectives int\u00e9ressantes (R.A.Street, \u00ab\u00a0Unraveling charge transport in conjugated polymers\u00a0\u00bb, Science,<\/i> vol. 341, p. 1072, 6 September 2013, www.sciencemag.org<\/a> ). Les diodes \u00e9mettrices de lumi\u00e8re (LED), constitu\u00e9es de semi-conducteurs \u00e9lectroluminescents, sont tr\u00e8s int\u00e9ressantes du point de vue \u00e9nerg\u00e9tique (leur rendement lumineux est tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9), et l\u00e0 encore les mat\u00e9riaux plastiques offrent des perspectives int\u00e9ressantes, ainsi des couches superpos\u00e9es de plastiques semi-conducteurs permettraient-elles de r\u00e9aliser des diodes\u00a0 \u00e9mettant de la lumi\u00e8re blanche ce qui serait un avantage consid\u00e9rable (C.Groves, \u00ab\u00a0Bright design\u00a0\u00bb, Nature Materials<\/i>, vol. 12, p. 597, July 2013, www.nature.com\/naturematerials<\/a>).<\/p>\n

La structure des mat\u00e9riaux (\u00e9lectrodes et \u00e9lectrolyte) joue un r\u00f4le tout aussi essentiel dans les batteries et les piles \u00e0 combustible. C\u2019est le cas pour les batteries lithium-ion qui ont fait une perc\u00e9e (notamment pour les v\u00e9hicules \u00e9lectriques, voire pour le stockage en \u00ab\u00a0masse\u00a0\u00bb pour des installations adapt\u00e9es \u00e0 des sources intermittentes). La chimie des mat\u00e9riaux, l\u00e0 encore, doit permettre d\u2019am\u00e9liorer les performances des batteries \u00e9lectrochimiques, en particulier leur densit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique et leur capacit\u00e9 \u00e0 subir de tr\u00e8s nombreux cycles de charge et de d\u00e9charge. Une possibilit\u00e9 sur laquelle travaillent les chimistes est de mettre au\u00a0 point des nouvelles structures d\u2019oxydes en couches dans lesquelles vont s\u2019ins\u00e9rer les ions de lithium, une nouvelle g\u00e9n\u00e9ration d\u2019oxydes de lithium et de mangan\u00e8se, de cobalt et de nickel (ou un oxyde de lithium de ruth\u00e9nium et d\u2019\u00e9tain) offre ainsi une perspective int\u00e9ressante (M. Shatiya, \u00ab\u00a0Reversible anionic redox chemistry in high capacity layered-oxide electrodes\u00a0\u00bb, Nature Materials<\/i>, vol. 12, p. 827, September 2013, www.nature.com\/naturematerials<\/a> ). Le probl\u00e8me se pose en termes voisins pour d\u2019autre types de batteries dont les performances pourraient \u00eatre sup\u00e9rieurs \u00e0 celles des batteries lithium-ion\u00a0: des syst\u00e8mes oxyg\u00e8ne-m\u00e9tal (l\u2019oxyg\u00e8ne forme un oxyde pendant la d\u00e9charge qui est d\u00e9compos\u00e9 lors de la charge) tels que les couples lithium-air, zinc-air, ou un super-oxyde de sodium\u00a0; le couple\u00a0 lithium-soufre est \u00e9galement un bon candidat pour des grandes installations de stockage de l\u2019\u00e9lectricit\u00e9 (une densit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie cinq fois plus \u00e9lev\u00e9e que les batteries lithium-ion actuelles). La chimie du carbone n\u2019a probablement pas dit son dernier mot dans le domaine des batteries (les anodes de plusieurs syst\u00e8mes de batteries sont en graphite) voire des cellules solaires. Le graph\u00e8ne constitu\u00e9 de couches de carbone monoatomiques est ainsi un mat\u00e9riau poreux tr\u00e8s l\u00e9ger et excellent conducteur qui pourrait \u00eatre utilis\u00e9 pour r\u00e9aliser des \u00e9lectrodes de batteries lithium\/air\u00a0; on peut de m\u00eame envisager r\u00e9aliser une \u00e9lectrode avec du fuller\u00e8ne, une cage de soixante atomes de carbone\u00a0 qui constitue en quelque sorte une ancre \u00e0 laquelle va s\u2019attacher un ion lithium. Des couches superpos\u00e9es de graph\u00e8ne et de compos\u00e9s de m\u00e9taux de transition comme le molybd\u00e8ne sont des candidats possibles comme constituants de cellules solaires mais jusqu\u2019\u00e0 pr\u00e9sent les rendements obtenus sont faibles.<\/p>\n

La vitesse des r\u00e9actions chimiques est souvent un point cl\u00e9 dans le fonctionnement de syst\u00e8mes \u00e9nerg\u00e9tiques. C\u2019est le cas en particulier pour les piles \u00e0 combustible \u00e0 hydrog\u00e8ne des moteurs \u00e9lectriques qui fonctionnent \u00e0 temp\u00e9rature ambiante et qui utilisent le platine comme catalyseur (il acc\u00e9l\u00e8re l\u2019oxydation de l\u2019hydrog\u00e8ne \u00e0 l\u2019anode) et la chimie doit trouver une alternative aux m\u00e9taux platino\u00efdes qui sont tr\u00e8s co\u00fbteux, des pistes organiques peuvent s\u2019av\u00e9rer int\u00e9ressantes (par exemple des phtalocyanines de cobalt ou de fer). Il reste bien s\u00fbr le probl\u00e8me de la production de l\u2019hydrog\u00e8ne (soit pas \u00e9lectrolyse de l\u2019eau ou par voie thermochimique \u00e0 partir du gaz naturel). Une alternative au gaz naturel est le m\u00e9thanol, l\u2019alcool le plus simple, qui permet de produire de l\u2019hydrog\u00e8ne \u00e0 l\u2019aide d\u2019un catalyseur qui est un compos\u00e9 organique du ruth\u00e9nium. La voie photochimique, utilisant l\u2019\u00e9lectricit\u00e9 photovolta\u00efque pour d\u00e9composer la vapeur d\u2019eau (ce que savent faire les plantes) est une possibilit\u00e9, l\u00e0 encore il faut un bon catalyseur (le molybd\u00e8ne et l\u2019\u00e9tain sont une possibilit\u00e9 ainsi que des compos\u00e9s organiques). Une \u00e9quipe suisse de l\u2019EPFL \u00e0 Lausanne a montr\u00e9 que l\u2019on pouvait obtenir de tr\u00e8s bons rendements avec des photo\u00e9lectrodes constitu\u00e9es de nanoparticules d\u2019oxyde fer.\u00a0 Une alternative consisterait \u00e0 utiliser la chaleur solaire, dans un four par exemple, un laboratoire am\u00e9ricain a ainsi mis au point r\u00e9cemment un nouveau catalyseur constitu\u00e9 par un oxyde de mangan\u00e8se pour d\u00e9composer la vapeur d\u2019eau et fonctionnant dans un cycle \u00e0 1000-1400\u00b0 C (C L. Muhich\u00a0 and al, \u00ab\u00a0Efficient generation of H2 by splitting water with an isothermal cycle\u201d, Science<\/i>, vol.341, p. 540, 2 August 2013 www.sciencemag.org<\/a> ).<\/p>\n

La chimie intervient dans d\u2019autres secteurs de l\u2019\u00e9nerg\u00e9tique. Une alliance avec la biologie, notamment la \u00ab\u00a0biologie\u00a0\u00bb synth\u00e9tique, ouvre des perspectives int\u00e9ressantes pour la fabrication de biocarburants soit \u00e0 partir de la biomasse (la cellulose par exemple) soit\u00a0en utilisant \u00a0des microorganismes g\u00e9n\u00e9tiquement modifi\u00e9s. De m\u00eame le recyclage incontournable de m\u00e9taux (effectif pour le platine)\u00a0 et notamment des terres rares (le dysprosium constituant les aimants de turbines d\u2019\u00e9oliennes et de moteurs \u00e9lectriques de voitures hybrides est \u00a0crucial). Enfin dans notre avant-dernier blog nous signalions la \u00ab\u00a0rupture\u00a0\u00bb possible (nous \u00e9tions prudents\u00a0!) que constituait la mise au point d\u2019un nouveau catalyseur \u00e0 base de titane permettant de faire r\u00e9agir l\u2019hydrog\u00e8ne avec l\u2019azote \u00e0 temp\u00e9rature ambiante, une \u00e9tape possible vers une synth\u00e8se de l\u2019ammoniac consommant beaucoup moins d\u2019\u00e9nergie (aujourd\u2019hui de 1% \u00e0 2% de la consommation mondiale d\u2019\u00e9nergie). La chimie, souvent un parent pauvre des strat\u00e9gies de recherche \u00e9nerg\u00e9tique, est un point de passage oblig\u00e9 pour les voies de la transition \u00e9nerg\u00e9tique.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Les rapports de prospective sur les futures ruptures techniques (notamment les rapports du Forum \u00e9conomique mondial, \u00ab\u00a0The ten top emerging technologies\u00a0\u00bb for 2013, de McKinsey, \u00ab\u00a0Disruptives technologies\u00a0\u00bb, et du MIT \u00ab\u00a0Ten breakthrough technologies\u00a0\u00bb) ainsi que les plans publi\u00e9s r\u00e9cemment en France pour promouvoir l\u2019innovation, les 34 projets pour \u00ab La nouvelle France industrielle \u00bb du minist\u00e8re du redressement productif, et enfin le rapport d\u2019Anne Lauvergeon, \u00ab Un principe et sept ambitions pour la France \u00bb, retiennent tous l\u2019\u00e9nergie comme une priorit\u00e9 incontournable. Les \u00e9nergies renouvelables sont souvent un axe central de ces rapports (transition \u00e9nerg\u00e9tique oblige !) avec un point focal constitu\u00e9 par les techniques de stockage de l\u2019\u00e9nergie associ\u00e9es \u00e0 ces \u00e9nergies intermittentes. Parmi les 34 projets du plan industriel on remarque que les biocarburants et la voiture \u00e0 2l\/100 km ont aussi trouv\u00e9 leur place. Tous ces rapports soulignent la n\u00e9cessit\u00e9 de favoriser l\u2019innovation en oubliant souvent que les ruptures qu\u2019ils appellent de leurs v\u0153ux supposent des avanc\u00e9es scientifiques importantes pour mettre au point des mat\u00e9riaux notamment avec l\u2019aide de la chimie.<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":181,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[1],"tags":[],"_links":{"self":[{"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/441"}],"collection":[{"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=441"}],"version-history":[{"count":4,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/441\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":455,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/441\/revisions\/455"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/181"}],"wp:attachment":[{"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=441"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=441"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=441"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}