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>Photosynthèse vs photovoltaïque : le match du renouvelable !

>Qu’est-ce qui est le plus efficace ? la technologie humaine, le photovoltaïque, ou une des grand-oeuvres de dame nature, la photosynthèse ?
Il faut bien comprendre l’enjeu de ce type de question : le soleil envoie sur terre environ 120000 Tera-Watts ( soit  Watts !!), là où les besoins de l’humanité entière sont estimés à 15 Tera-Watts… Bref, l’énergie renouvelable viendra du soleil ou ne viendra pas.

La photosynthèse, pour résumer simplement, consiste en la transformation photochimique du dioxyde de carbone atmosphérique et de l’eau en glucose et dioxygène (pour les chimistes, il ne s’agit de rien d’autre que d’une réaction d’oxydoréduction entre l’eau, le réducteur, et le dioxyde de carbone, l’oxydant) :

Avantages : 
  • Approuvée par mère nature depuis plus de 3 milliards d’année
  • Produit directement de l’énergie stockable facilement
Inconvénients :
  • Nécessite de l’eau
  • rendement maximal obtenu : 3 % dans des bioréacteurs optimisés (par l’homme)
Il faut bien voir que le processus de photosynthèse est limité par deux points principaux : Le premier, c’est que les pigments qui permettent d’initier le processus, la chlorophylle, ne récolte qu’une faible partie du rayonnement solaire (qu’environ 1/3 du spectre de la lumière visible, pas d’infrarouge ni d’ultraviolet). Alors forcément, ça limite beaucoup l’efficacité. L’autre soucis, et non des moindres, c’est que la photosynthèse n’est pas la raison d’être d’un organisme. le but d’un végétal chlorophyllien n’est pas de produire avant tout du glucose et de croître. Il se développe selon d’autres paramètres (son environnement, son patrimoine génétique, sa reproduction) qui impose une dépense d’énergie. Bref, on ne peut pas récupérer toute l’énergie produite, la plante se sert avant !
L’avenir :
  • Les OGM bien sûr. En utilisant de la chlorophylle issue de certaines cyanobactéries (dont le spectre d’absorption est bien plus large), et en optimisant les processus naturels, on pourrait imaginer obtenir des rendements meilleurs… mais forcément limités (environ 30 % de l’énergie produite par photosynthèse est utilisée pour les fonctions vitales de l’organisme)
Le photovoltaïque, consiste en l’exploitation de l’effet photoélectrique : un photon peut, s’il a la bonne énergie, éjecter un électron d’un matériau. Il s’agit ensuite de choisir les bons matériaux, et de se débrouiller pour que l’électron éjecté soit récupéré dans le circuit électrique que l’on souhaite alimenter…  Bref, ça fonctionne avec des semi-conduteurs et des jonctions P-N, mais on ne va pas entrer dans les détails.

Cependant, pour pouvoir le comparer avec la photosynthèse, il faut coupler les cellules photovoltaïques avec un électrolyseur, qui va synthétiser du dihydrogène et du dioxygène à partir de l’eau. (autrement dit, on va stocker l’énergie sous forme d’énergie chimique, comme dans le cas de la photosynthèse.

Avantages :
  • Le rendement : même en comptabilisant les pertes liées aux rendements de l’électrolyse de l’eau, on arrive à plus de 20 % pour des cellules simples, et jusqu’à 66 % avec des cellules multijonctions !
  • Ne nécessite pas d’eau
  • La production énergétique est immédiate (pas besoin d’attendre que la plante veuille bien pousser…)
Inconvénients :
  • Technologie coûteuse en argent et en énergie : on estime à 2 / 3 ans le temps de fonctionnement nécessaire à une cellule photovoltaïque pour produire autant d’énergie qu’on en a dépensé pour la fabriquer…
  • Technologie fragile ; et lorsqu’une cellule est cassée, on ne la répare pas, on la change.
  • Certains dopants, comme l’indium, nécessaire pour la fabrication des cellules, se raréfient sur Terre : les prix montent, et il apparaît la nécessité de développer d’autres technologies. 

On le voit, le photovoltaïque remporte le concours du rendement haut la main. Cependant, les coûts, la difficulté de fabrication, et la fragilité du capteur posent de réels soucis.

L’avenir :

  • Les études vont dans le sens de la minimisation des coûts de fabrication de ces cellules, déjà très performantes
  • D’autres matériaux sont envisagés, et en particulier des composés organiques, mais le spectre d’absorption de ces matériaux est pour l’instant trop étroit et ils sont trop sensibles à l’oxydation par le dioxygène.

Pour conclure, je me demande si l’avenir de la production énergétique réside bien dans une de ces deux technologies… Et si c’étaient les centrales solaires « thermodynamiques » ? Le principe est simple (pour une fois !) un fluide est chauffé par des miroirs concentrant la lumière, et ce fluide vient chauffer de l’eau, qui va entraîner des turbines, tout comme dans une bonne vieille centrale thermique, ou nucléaire… Des projets gigantesques sont en cours d’évaluation, comme le projet Desertec, qui pourrait fournir à l’Europe un quart de ses besoins en électricité à l’horizon 2050… Je vous laisse le soin de naviguer sur internet pour les détails, c’est déjà traité abondamment…

Sources :

  • « Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement » R. Blankenship et al. Science 2011, 6031, 805-809
  • Wikipedia bien sûr !

>Question 16 : Qu’est-ce qui se passe lorsqu’on fait dégorger un concombre ?

>Recette des concombres au yahourt (ou à la crème fraîche, c’est encore meilleur). Prenez un concombre bien ferme, bien vert. L’éplucher, le couper en fine rondelle. Rajoutez du sel, mélanger, attendre quelques minutes. Vider l’eau obtenue, rincer soigneusement les tranches de concombres. Ajouter ensuite le pot de crème fraîche, quelques herbes de Provence (éventuellement des graines de moutarde grillées et de la menthe ou de la coriandre fraîche). Et déguster.
Afficher l'image en taille réelleOn aime ou on n’aime pas. Mais dégorger les concombres, c’est assez drôle. On ajoute du sel, et une partie de l’eau du concombre sort par magie. Ce tour de main des cuisiniers-ères, bien facile et bien connu a une explication redoutable : l’osmose.

Voyons cela de plus près : la nature a non seulement horreur du vide, mais elle a en plus horreur des différences, des inhomogénéités, et tend à gommer toutes formes d’originalités. Bon j’exagère là. En tout cas, pour les liquides, ça marche : prenez un réservoir d’eau douce, un d’eau salé, et mettez-les en contact, séparés par une membrane semi perméable (c’est-à-dire qui laisse passer seulement l’eau, mais pas le sel). Le réservoir d’eau douce va se vider de son eau, afin que la concentration de sel s’égalise. C’est ce que je disais : détruire toute forme de diversité !
Grâce aux lois de la thermodynamique, on peut en effet démontrer, que dans le cas précédent, apparaît une force de pression dite « osmotique », qui « pousse » l’eau douce à passer à travers la membrane, jusqu’à ce que les concentrations soient identiques…

Et le rapport avec nos concombres ?
En ajoutant (beaucoup) de sel sur les concombres, on crée un gros déséquilibre entre l’eau à peu près douce des cellules du concombres, et l’eau très salée à l’extérieur. La pression osmotique devient très importante, et fait sortir l’eau des cellules (en explosant les membranes cellulaires au passage)
Le concombre dégorgé n’aura plus la mauvaise idée de rendre son eau une fois la recette finie !

Ce phénomène d’osmose est très général, utilisé en biologie pour faire exploser les membranes cellulaires, utiliser pour dessaler l’eau de mer (c’est dans ce cas « l’osmose inverse« , où on impose une force de pression pour forcer l’eau douce à refluer dans le compartiment d’eau non salée). Maintenant, ce phénomène est aussi utilisé pour produire de l’énergie : qui dit force de pression, dit possiblité de faire se déplacer de l’eau, donc turbine, donc électricité. Et pour l’approvisionnement en eau douce et eau salée, il suffit de se mettre à l’embouchure de n’importe quel fleuve…
Il n’en fallait pas moins pour que des ingénieurs suédois de Statkraft installent une centrale fonctionnant avec l’eau du Fjord  d’Oslo et de la mer Baltique. Voilà (en anglais…) leur vidéo de démonstration.

The World’s First Osmotic Power Prototype Opens Today


Moi je trouve ça quand même assez sympa, comme process…
Seul hic : les membranes semi perméables : elles coûtent chers, sont fragiles, ont une durée de vie faible.

Sources :
Wikipedia bien sûr !
Statkraft

>Question 12 : Comment ça marche, la fusion nucléaire ?

>On va rester içi dans les grandes lignes…, parce que je ne suis pas une bête de physique nucléaire, et parce que ça devient rapidement monstrueusement compliqué dans les détails.
L’idée générale est que le noyau des atomes, constitués de 2 particules (les protons et les neutrons) contient une énergie formidable, liée aux interactions entre ces particules. Casser un gros noyau (c’est la fission) produit beaucoup d’énergie. Mais faire fusionner des petits noyaux en un plus gros (c’est la fusion), libère encore plus d’énergie.
La fusion qu’exploite les bombes H et les chercheurs correspond à la synthèse d’hélium et (noyaux contenant 2 protons (p+) et 2 neutrons(n)) et de neutron, à partir de deutérium (1 p+ et 1 n) et tritium (1p+ et 2n).

La fusion est le procédé responsable de la synthèse de tous les éléments chimiques depuis les plus léger, (hélium, lithium) jusqu’aux plus lourds (Uranium : 96 p+, et 142 n), dans les premiers instants de l’univers, aux coeurs des étoiles, et lorsqu’elles finissent par exploser. C’est encore elle qui est responsable de l’énergie des étoiles.
Dompter la fusion nucléaire, c’est la promesse d’une énergie formidable, avec peu ou pas de déchets polluants (l’hélium est un gaz parfaitement inoffensif), à partir d’une matière première quasi-inépuisable (le deutérium est issu de l’eau de mer, le tritium est synthétisé à partir du lithium, lui même en très grande quantité sur la terre). « top coooool » !! oui, mais…
Il faut la dompter, la fusion. Et ça, c’est pas simple. Les conditions nécessaires à la fusion nucléaire sont impressionnantes : environ 100 millions de degrés, 1020 à 1030  particules/m-3 . Bref,  des conditions inexistantes sur terre. 
Comment faire ? La suite, dans un prochain message…