ISIS Report 29/06/09
La récupération de l'énergie du soleil avec la photosynthèse artificielle
L'énergie solaire est de loin la plus abondante des ressources énergétiques renouvelables et avec zéro émission de carbone, et la photosynthèse artificielle pourrait être le moyen le plus efficace pour stocker l'énergie et la rendre plus disponible et abordable, selonDr. Mae-Wan Ho
La version originale de cet article, illustrée et avec toutes les références bibliographiques en anglais, intitulée Harvesting Energy from Sunlight with Artificial Photosynthesis est accessible par les membres de l'ISIS à partir de ce site . www.i- sis.org.uk/ ArtificialPhotosynthesis .php
Une version électronique du rapport complet peut être téléchargée à partir du magasin en ligne ISIS. Télécharger maintenant
Le matériel sur ce site ne peut être reproduit sous aucune forme sans la permission explicite. PERMISSION DE REPRODUCTION ET EXIGENCES, S'IL VOUS PLAÎT CONTACTEZ-ISIS. Lorsqu'une autorisation est accordée TOUS LES LIENS doivent rester inchangés
La lumière du soleil est, de loin, la plus grande source d'énergie renouvelable
Il est prévu que la demande mondiale d'énergie va augmenter de 57 pour cent : de 14,9 TW (1 TeraWatt = 1012W) en 2004 à 23,4 TW en 2030 [1]. Il est très urgent de développer une énergie "neutre en carbone" puisque le niveau de CO2doit être maintenu au-dessous de 550 ppm, qui est l'objectif fixé par le Groupe Intergouvernemental d'Experts sur l'Evolution du Climat, que la plupart des gouvernements ont accepté. Trois grands axes sont envisagés: la fission nucléaire, la capture et le stockage du carbone, et enfin les énergies renouvelables .
En dehors du fait qu'elles sont non durables, ainsi que dangereuses et peu rentables [2] (voir The Nuclear Black Hole et d'autres articles de la série, dans la revue Science in Society N° 40), l'estimation des ressources d'uranium restantes ne sont que suffisantes pour produire 100 TW-an d'électricité et elles seront épuisées dans une décennie.
De même pour le piégeage, ou capture du carbone et son stockage ( CCS en anglais) dans les aquifères souterrains : il est trop tard pour qu'il soit utilisable et beaucoup trop coûteux et inefficace [3] ( Carbon Capture and Storage A False Solution , SiS 39).
D'après une étude commandée par le gouvernement fédéral allemand, il a été estimé que la capture du carbone et son stockage, CCS , émet dix à quarante fois plus de gaz à effet de serre que l'énergie solaire ou éolienne, et n'assure aucune protection contre la hausse des coûts des combustibles et des carburants fossiles [4] ( Renewables versus Carbon Capture and Storage , SiS 39). Pour être viable, le dioxyde de carbone capturé et stocké ne doit pas s'échapper, au niveau mondial et en moyenne, au-delà d'un taux ne dépassant pas un pour cent, sur une période de plusieurs siècles ; sinon le flux émis est supérieur ou égal au flux qu'il est prévu initialement d'éviter [1]
Parmi les énergies renouvelables , la plus importante des ressources est, de loin, fournie par le soleil [1]. L'énergie solaire atteint la surface de la terre avec un taux considérable de ~ 120.000 TW, mais seule une infime partie, <0,001 pour cent, est actuellement exploitée pour produire les 145 GW de la capacité mondiale actuelle [5] (voir Global Shift to Renewable Energies Happening , SiS 43).
Beaucoup de moyens pour récupérer la lumière solaire mais son stockage est un problème
Il existe de nombreuses façons pour récupérer la lumière solaire, ce qui implique sa capture et sa conversion, mais le stockage de l'énergie est un problème. La capture et la conversion de l'énergie solaire est accomplie par les systèmes photovoltaïques (PV), qui transforment la lumière du soleil en électricité, et en particulier l'énergie solaire thermique, qui capte la lumière du soleil pour réchauffer (et refroidir) de l'eau et des espaces.
La concentration de l'énergie solaire, en utilisant des miroirs qui s'orientent pour suivre le mouvement du soleil tout au long de la journée, est la finalité extrême de l'énergie solaire thermique et elle est capable de produire une puissance de chauffage équivalente à des milliers de soleils [6]. La génération de chaleur est également associée avec la production d'électricité dans le même module. La production combinée de chaleur et d'électricité solaire sont maintenant mises en oeuvre en Europe et elle est en cours d'élaboration en Australie, en Amérique et en Chine.
Cependant, le soleil brille par intermittence, et ce, uniquement pendant la journée. Il est donc nécessaire de disposer de capacités de stockage efficaces et rentables, si l'énergie solaire doit devenir une source d'énergie primaire pour la société [1].
L'énergie solaire est déjà incluse dans le marché des énergies renouvelables [5], et tandis que le monde se tourne désormais vers les énergies renouvelables par rapport aux énergies fossiles, nous devrions viser à l'intégration des fonctions de capture, de transformation et de stockage pour exploiter l'énergie solaire.
En principe, l'électricité peut être stockée dans des batteries, mais les batteries sont encore trop coûteuses. Une autre méthode consiste à stocker l'énergie électrique mécaniquement à l'aide d'une pompe à eau en amont, mais cela implique le chargement et le déchargement sur un cycle de 24 h. Pour satisfaire la demande énergétique des Etats-Unis dans un cycle jour - nuit, cela supposerait de disposer d'un tampon qui exigerait une capacité de pompage équivalente à plus de 5.000 barrages Hoover pour le remplissage et la vidange des réservoirs chaque jour et chaque nuit.
Avec le solaire thermique , l'énergie peut être stockée dans l'eau dans un réservoir thermiquement isolé, au-dessus ou au-dessous de la température ambiante ; elle peut ensuite être utilisée pour chauffer des espaces au cours de la nuit ou pour refroidir les espaces au cours de la journée [7].
Une méthode de stockage de l'énergie solaire a déjà été inventée par la nature : c'est la photosynthèse , qui utilise la lumière du soleil pour décomposer, ou dissocier l'eau en libérant l'oxygène, d'une part, et pour fixer le dioxyde de carbone dans les hydrates de carbone [ou glucides] avec l'hydrogène, d'autre part, ce qui créée la biomasse [8] (voir Living with Oxygen , SiS 43).
La photosynthèse a effectivement approvisionné le monde avec de la nourriture, des fibres, des matériaux de construction, des carburants et des combustibles (dans la biomasse et les énergies fossiles). Le récent boom (et la faillite) des cultures de plantes "bioénergétiques" pour fournir des "biocarburants", ou mieux des agrocarburants, a eu des conséquences désastreuses dans l'accélération de la déforestation et la hausse des prix des denrées alimentaires, en particulier dans les pays en développement [9] ] ( Biofuels: Biodevastation, Hunger & False Carbon Credits , SiS 33).
Le problème de la photosynthèse, en ce qui concerne la capture de la lumière du soleil pour d'autres usages, c'est qu'elle n'a pas évolué de façon à maximiser l'efficacité de la récupération de l'énergie solaire, car l'énergie solaire est rarement limitante, et il existe de nombreux mécanismes chez les plantes qui ont évolué pour se protéger des effets oxydatifs dommageables que peut infliger une forte lumière solaire.
Il a été estimé que le maximum théorique de l'efficacité de la photosynthèse est d'environ 9 pour cent [10]. Cette efficacité instantanée ne serait réalisable qu'avec de faibles intensités lumineuses, où chaque photon incident, de longueur d'onde appropriée, peut être absorbé et utilisé pour la production des transferts d'électrons (voir ci-dessous).
En conditions de plein soleil, la photosynthèse naturelle utilise seulement une fraction des photons incidents. La fixation du carbone en aval réduit encore l'efficacité atteignable ; de plus, de nombreux organismes photosynthétiques présentent des variations saisonnières dans leurs taux de photosynthèse.
En conséquence, sur une base annuelle, l'efficacité photosynthétique moyenne est, au mieux, inférieure à 0,2 pour cent avec des cultures bioénergétiques terrestres, et inférieure à 5 pour cent avec les microalgues [11] (voir [12] Saline Agriculture to Feed and Fuel the World , SiS 42).
La photosynthèse artificielle
Une approche pour stocker l'énergie solaire réside dans la photosynthèse artificielle , qui tente de reproduire et d'améliorer le processus naturel, principalement pour obtenir de l' hydrogène comme combustible pour une utilisation dans des piles à combustible ; elle comprend la séparation photoélectrochimique de l'eau, en hydrogène et en oxygène (l'inverse d'une cellule de combustion, dans laquelle l'hydrogène et l'oxygène se recombinent pour donner de l'eau, en libérant l'énergie stockée dans l'hydrogène) (voir Fig. 1) [13].
Dans un système photochimique ou photoélectrochimique (PEC), un matériau semi-conducteur photoactif forme une jonction en contact avec un électrolyte liquide ou solide. En raison du potentiel de jonction, des paires électron-trou sont produites dans le matériel photoactif sous éclairage. Les paires d'électron-trou induites par la lumière, (e - et H + dans le cas de l'eau) conduisent chimiquement à une réduction (à gauche, Fig. 1) et à une oxydation (à droite, Fig. 1)], qui se traduit respectivement par une évolution de l'hydrogène et de l'oxygène. L'eau est ainsi divisée en ses éléments de base, au cours de deux demi réactions : l'oxydation de l'eau en oxygène et la réduction des protons en hydrogène ; chacune de ces deux demi réactions exige son propre catalyseur et des conditions optimales. De cette façon, l'énergie des photons est transformée directement en énergie chimique, plutôt qu'en énergie électrique, comme cela se produit avec les cellules PV électrochimiques ou avec l'état solide.
Figure 1.La cellule photoélectrochimique
Conversion de la lumière du soleil en combustible et stockage de l'énergie
La condition fondamentale pour la conversion de la lumière du soleil en carburant et combustible est basée sur l'oxydation (enlèvement d'électrons) à partir d'une source d'électrons de faible énergie, pour produire des espèces chimiques réduites à haute énergie (qui acceptent des électrons) [14]. Dans la photosynthèse des plantes vertes, l'eau est le meilleur donneur d'électrons. L'eau est une source idéale d'électrons en raison de sa faible teneur en énergie, son abondance et la production de O2, qui peut être amenée à réagir à la demande avec le carburant réduit, H2, pour fournir de l'énergie.
La conversion réciproque entre l'oxygène et l'eau est décrite par l'équation (1), où h n représente un photon d'une longueur d'onde appropriée pour la photosynthèse (voir également la Fig. 1).
O2 + 4hn <->
2H2O (1)
Dans la photosynthèse, les électrons extraits de l'eau sont stimulés en énergie par la lumière du soleil, de sorte qu'ils peuvent produire des espèces chimiques réduites, à haute énergie. D'un point de vue thermodynamique, la production d'hydrogène (protons réduits) est approximativement équivalente à la réduction du coenzyme NADP+ et, à terme, le CO2 en hydrates de carbone [glucides]. .
4H+ + 4e- <-> 2H2
(2)
La combinaison chimique de l'oxydation et de la réduction lors de la photosynthèse donne l'équation (3)
2H2O <-> 2H2 + O2
(3)
Le changement énergétique peut être estimé à partir du potentiel de réduction standard E0 ' (aussi connu sous le nom de potentiel de réduction-oxydation (oxydo-réduction) ou potentiel électrochimique) (voir encadré)
DE0’ = -1.23
V
Ceci est équivalent à un changement de norme d'énergie libre standard (qui représente l'énergie stockée dans le combustible H2 ou son équivalent en biomasse), soit
DG0’= 474
kJ mol-1
Par la suite, la réaction de ce carburant avec de l'oxygène libère l'énergie solaire stockée dans le sens inverse de l'équation (3), avec DE0’ de 1,23 V et DG0’de -474 kJ mol-1
Potentiel de réduction
Les réactions d'oxydation-réduction sont communes en bioénergétique et le transfert d'électrons à partir d'une substance (donneur) à une autre (accepteur), conformément à leur potentiel de réduction relatif. Le potentiel de réduction (ou potentiel d'oxydation-réduction ou potentiel rédox) est l'affinité d'une substance pour les électrons. La valeur de chaque substance est comparée à celle de l'hydrogène, qui est fixée arbitrairement à zéro, dans des conditions standard de 25°C, 1 atmosphère et 1 M de concentration.
Des substances qui ont un potentiel d'oxydo-réduction positif acceptent des électrons de l'hydrogène qui est réduit, tandis que des substances qui ont un potentiel d'oxydo-réduction négatif donnent des électrons à l'hydrogène, qui devient oxydé.
Le potentiel rédox est le même que le potentiel électrochimique et que le niveau de Fermi utilisé en physique de l'état solide [15].
Principales entraves, ou obstacles
Au cours de la crise pétrolière de 1974, l'Agence internationale de l'énergie, mise en place au sein de l'OCDE ( Organisation for Economic Cooperation and Development ) pour aborder les défis liés à l'énergie dans un esprit de collaboration, avait établi son programme Hydrogène ( Hydrogen Implementing Agreement, HIA) en 1977.
Il avait été inclus dans ce programme HIA, la production d'hydrogène par voie photoélectrolytique, qui concernait neuf groupes de recherche du Japon, de Suède, de Suisse et des Etats-Unis, et qui travaillent ensemble depuis 1999. Un rapport publié en 2004 a annoncé qu'ils n'avaient pas atteint l'objectif ultime d'une conversion efficace et stable de la lumière solaire en hydrogène, avec un rendement de conversion de 10 pour cent, mais que cet objectif était "en vue" [12].
Les principaux obstacles ont été identifiés comme suit
- Le manque de matériaux d'absorption lumineuse efficaces : pour une absorption efficace et raisonnable, la bande du semi-conducteur doit être inférieure à environ 2,2 eV, mais supérieure à environ 1,6 eV.
- Corrosion des semi-conducteurs : la plupart des semi-conducteurs avec la bande appropriée sont, en terme thermodynamique, instables dans l'eau.
- Energétique du semi-conducteur ; correspondance entre les énergies de la bande des semi-conducteurs et les réactions pour l'évolution de l'hydrogène et de l'oxygène.
Je vais décrire certains des progrès récents, afin de surmonter ces obstacles, dans les articles à suivre et qui vont aussi expliquer la photosynthèse artificielle plus en détail.
|
There are 1 comments on this article so far. Add your comment
| sawitri Comment left 24th July 2009 07:07:07
very good. I will buy you book through kasetsart library. |
| 
