Podcastscience 70 – Solaire cherche futur

On 25.01.2012, in Notes d'émission, by Podcast Science

Un dossier bourré d'infos intéressantes sur l'énergie solaire, pour cette semaine ! Et c'est notre Alan national, que même les américains nous envient, qui s'en est occupé :) par ici !

Vous en apprendrez plus sur la rentabilité, la durabilité, ou encore les projets d'avenir pour cette énergie prometteuse dont la Suisse et la Chine sont les pionniers mondiaux. Pour le mp3, c'est en bas que ça se passe (player).

Et si vous le n'avez pas vue, ne manquez pas l'illustration de Lucile qui se la joue photovoltageek :)

Pour continuer, la p'tite vidéo qui va avec (à prendre avec des pincettes) :

A Goodbye Note To An Ex Lover

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On continue avec un plug' vers Research Gate, un réseau social consacré à la science, avec des profils scientifiques, des articles, un agenda des événements scientifiques et des bourses d'emplois !

Ensuite, quelques liens sur les news abordées en fin d'émission :

La fin de la seconde intercalaire ?

Convergence vocale chez les chimpanzés sur www.sciencesetavenir.fr

Et pour finir, les quotes de Podcast Science :

Bienheureux les fêlés, car ils laisseront passer la lumière”

Michel Audiard, le cinéaste français.

“Quand on m'explique les mathématiques, je perds pied dès le premier mot. En physique, je comprends la première phrase, en biologie j'ai compris l'essentiel du message, et en sciences humaines chacun donne son avis.”

Roland Barthès, écrivain français.

Et voilà, on vous dit à la semaine prochaine, avec un dossier que Marco nous a vendu (comme il pouvait) sur les méthodes de datation en géologie !

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Un mème circule dans les petits milieux de la promotion des énergies renouvelables. Vous l’avez sans doute déjà entendu: “Le soleil fournit à la Terre assez d’énergie en une minute pour couvrir les besoins énergétiques d’une année. En une journée, le soleil nous fournit de quoi tenir plus de 27 ans.” Je me suis acharné pendant plus d’une heure à tenter de trouver l’origine de la citation (qui n’est jamais mentionnée nulle part) afin de remonter sur une source académique digne de ce nom avant de partager cette  avec vous cette comparaison spectaculaire. Et j’ai fini par trouver quelque chose d’approchant. En fait, ce n’est pas en une minute que le soleil nous fournit toute cette énergie, mais en 90! La citation correcte est

In 90 minutes, enough sunlight strikes the earth to provide the entire planet’s energy needs for one year.
En 90 minutes, la quantité de lumière du soleil qui frappe la Terre suffit à satisfaire les besoins de la planète pour une année entière.

Livre: Solar Energy PerspectivesC’est l’Agence Internationale de l’Energie qui l’indique dans une étude publiée en décembre 2011 sur l’énergie solaire et ses perspectives.

Ce mème n’est pas la seule information erronée qu’on peut lire sur l’Internet quand on recherche des informations sérieuses concernant les énergies renouvelables. Les militants d’un bord comme de l’autre ne sont pas très regardants quant aux sources, c’est assez effrayant. Honnêtement, jai eu un mal fou à monter ce dossier en vérifiant toutes mes sources, ça m’a pris 3 fois plus de temps que d’habitude.

Pour en revenir à notre petite citation en version erronée ou corrigée, ce que j’en retiens, c’est que le soleil nous fournit une énergie phénoménale et gratuitement par dessus le marché! On a l’impression qu’il n’y a qu’à la collecter pour que tous nos problèmes d’approvisionnement d’énergie (et les conflits qui en découlent!) soient résolus.

Les plantes tirent l’essentiel de leur énergie du soleil, via la photosynthèse. Ne pourrions-nous pas être aussi malins qu’elles et en faire autant?

Est-ce vraiment si simple?

Dans ce dossier, nous allons commencer par poser quelques fondamentaux. Qu’est-ce que le photovoltaïque, comment ça marche. Quel est le mécanisme qui permet de prendre en entrée les photons de la lumière du soleil et produire en sortie des électrons prêts à recharger nos indispensables gadgets? Nous essaierons de comprendre les limitations de la technologie des cellules photovoltaïques – qu’on trouve dans les panneaux solaires –  et ainsi comprendre pourquoi nous n’en voyons pas partout. Si le soleil nous envoie effectivement autant d’énergie, pourquoi ne pas recouvrir les zones inhabitées du Sahara de panneaux solaires? Et pourquoi pas carrément des centrales solaires spatiales, pour bénéficier d’un ensoleillement 24 heures sur 24? Finalement, nous nous intéresserons à l’avenir de cette technologie. Les panneaux doivent-ils nécessairement être noirs, rigides, lourds et moches ou les cellules de 2e et 3e génération – qui sortent essentiellement des centres de recherche suisses – promettent-elles autre chose?

Commençons donc par les fondamentaux:

L’effet photovoltaïque

Le phénomène physico-chimique qui a permis l’émergence de cette technologie s’appelle l’effet photovoltaïque. C’est un phénomène très proche de l’effet photoélectrique, observé pour la première fois en 1838 par Antoine-César Becquerel et son fils Alexandre-Edmond, (respectivement grand-père et père d’Henri Becquerel, co-découvreur de la radioactivité aux côtés de Pierre et Marie Curie). Les Becquerel (grand-père et père) s’amusaient à observer le comportement électrique d’électrodes immergées dans un liquide et se sont rendus compte que ce comportement était modifié en présence d’un éclairage. Certains métaux émettaient des électrons lorsqu’ils étaient soumis à la lumière, mais cela ne fonctionnait qu’à certaines fréquences, à partir d’un certain seuil. Ce qui était inexplicable avec les connaissances en physique de l’époque. C’est Albert Einstein qui fut le premier à comprendre le phénomène en remettant fondamentalement en question la lumière. Il a formulé l’hypothèse que le rayonnement électromagnétique était fait de grains de lumières porteurs d’énergie. Ces grains d’énergie, on les a rapidement rebaptisés photons et c’est d’ailleurs pour ces travaux sur la nature de la lumière et l’explication du phénomène photoélectrique qu’Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921 (et pas pour ses deux théories de la relativité qui ont changé la face du monde à plus d’un titre).

Pour en revenir à nos définitions, l’effet photoélectrique, c’est donc l’émission spontanée d’électrons par un métal lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou à un autre rayonnement électromagnétique de fréquence élevée.  Concrètement, on s’en sert essentiellement pour des détecteurs, des capteurs vidéo et des systèmes de vision nocturne.

L’effet photovoltaïque est un peu différent, si on en croit notre ami wiki, “L’effet photovoltaïque est obtenu par absorption des photons dans un matériau semi-conducteur qui génère alors des paires électrons-trous (…) créant une tension ou une courant électrique.” Pas super parlant a priori, mais on va décrypter tout ça dans un instant.

La différence entre les deux phénomènes, c’est que dans l’effet photovoltaïque, l’électron passe à travers plusieurs bandes du semi-conducteur où il va accumuler de la tension entre deux électrodes. Les électrodes fournissent un courant électrique continu, directement exploitable pour recharger nos très chers et indispensables téléphones portables.

La cellule photovoltaïque

De l’effet photovoltaïque à la cellule, il n’y a qu’un pas, ou plutôt, deux couches ;)

Si on prend une plaquette de silicium et qu’on l’expose à la lumière, celle-ci va naturellement libérer quelques électrons. Mais bon, à l’air libre, comme ça, les électrons ne nous sont pas d’une grande utilité… Pour exploiter l’énergie solaire, on prend une première couche de silicium, on la dope au phosphore. Elle se retrouve subitement bourrée d’électrons. Notre morceau de silicium devient un semi-conducteur de type “N”, N pour négatif. On prend une seconde couche de silicium, qu’on dope cette fois avec du bore. Elle se retrouve subitement en déficit d’électrons, pleine de trous. Notre deuxième morceau de silicium devient un semi-conducteur de type “P”. P pour… ? Positif bien sûr!
Le photovoltaïque en une imageEn gros, le coeur d’une cellule photovoltaïque n’est constitué que de ces deux couches de silicium. Excités par les photons, les électrons trop nombreux d’un côté et les trous d’électrons trop nombreux de l’autre n’auront qu’une idée en tête: rétablir l’équilibre en se promenant allègrement entre les deux couches. En plaçant judicieusement un conducteur entre les deux, on récupère le courant électrique, le tour est joué, l’iphone est rechargé, on peut appeler pour dire qu’on est en retard pour le dîner, les inquiétudes retombent, tout le monde est heureux.

Une petite digression, pour souffler un peu… Silicium en français, se dit silicon (sans “e”) en anglais. La Silicon Valley, c’est la vallée du silicium et pas du silicone (qui est un polymère contenant du silicium.)

Les limitations physiques

On améliore sans cesse le rendement des cellules photovoltaïques mais il y a une limite. Elle porte même un nom, c’est la limite de Shockley-Queisser du nom de William Shockley et Hans Queisser qui l’ont calculée en 1961. En gros, le nombre d’électrons qui peut passer dans une jonction P-N est limité. Et l’efficacité d’une cellule solaire de ce type ne peut pas dépasser 33.7% (on pourrait atteindre 86%, mais il faudrait que les rayons soient  préalablement compactés au moyen d’un système optique). On atteint gentiment cette limite: si les cellules qu’on trouve sur le marché plafonnent en moyenne à 14-19% d’efficacité, on sait produire en laboratoire des cellules qui atteignent un rendement de 25% (plus très loin des 33.7, donc). Et pour les cellules qui ont plusieurs jonctions P-N, on arrive à plus de 42%.

La puissance-crête et l’emplacement idéal

Quand on parle de rendement, ou d’efficacité, ce qu’on cherche à représenter, c’est la proportion d’énergie reçue qu’on arrive à transformer. Si les rayons du soleil émettent une puissance de 1000 watts par mètre carré par exemple, des panneaux solaires dont la “puissance-crête” est de 15% parviendront à produire 150 watts par mètre carré au meilleur de la journée.

C’est d’ailleurs essentiellement pour optimiser le rendement qu’on place les panneaux solaires sur les toits uniquement et pas sur les trottoirs de nos villes par exemple. Un immense merci à Lucile qui m’a donné un coup de main sur cette partie du dossier et que j’ai le plaisir de citer ici :

Il existe diverses raisons pour lesquelles on privilégie l’installation de panneaux solaires sur les toits.

  • Raison pratique : élevée sur un toit, une installation photovoltaïque n’empiète pas sur l’espace vital;
  • Raison esthétique : les panneaux solaires sont plus discrets à cet emplacement;
  • Raison technique (la principale) : cette position permet d’optimiser le rendement des cellules photovoltaïques

Le rendement d’un panneau solaire varie en fonction de la puissance des cellules mais également selon son exposition aux rayons du soleil. Il est donc primordial avant d’installer une telle structure sur son toit, d’évaluer l’emplacement au niveau duquel le panneau solaire bénéficie d’un maximum de rayons du soleil.

L'angle d'incidence (Wikipédia)L’exposition du panneau se calcule grâce à l’angle d’incidence. Cet angle est formé par les rayons du soleil et le plan du panneau. Pour exploiter au mieux la ressource solaire, l’angle d’incidence doit être le plus proche possible de 90°. Et pour arriver à un angle d’incidence optimal de 90° il faut respecter les paramètres suivants :

  • Une orientation du panneau vers le sud
  • Une inclinaison du panneau de 15° à 50° (30° étant l’idéal) par rapport à l’horizontale

De plus, cette inclinaison permet d’éviter l’encrassement du panneau photovoltaïque (ce qui réduirait la production d’électricité).

http://www.tpepanneauxsolaires.fr/rentabilite.html#rec
http://www.energies-nouvelles.net/guide-rendement-photovoltaique-14.html

Les autres limitations

Il y a quelque limitations, mais bon. La lumière du soleil est gratuite et constitue une manne intarissable, en tout cas pour les 5 prochains milliards d’années. D’ailleurs, il est intéressant de relever que, à part le nucléaire, la géothermie et les centrales marémotrices (moulins à marées), pratiquement toutes les autres énergies sont plus ou moins directement issues du soleil. Même le pétrole et le gaz; quand on remonte la filière jusqu’aux origines, sont une forme de stockage de l’énergie du soleil (le soleil a permis la production des composants organiques qui les constituent à un moment ou un autre).

Pourquoi ne tapons-nous pas davantage dans cette source formidable d’énergie?

Et bien parce si la lumière du soleil est (encore?) gratuite, la fabrication des panneaux solaires, leur installation, la transformation et le transport du courant ont un coût. Un coût pas tout à fait négligeable, même s’il on constate une nette baisse depuis que la Chine domine la production des cellules photovoltaïques (selon un rapport de Bloomberg Energy Finance de 2010, les coûts de production des panneaux, pour une puissance égale en watts ou en mégawatts, a chuté de 50% entre fin 2008 et 2009) (Rapport, pdf, 3.6Mo) .

Sur le prix comparé du kilowatt heure d’électricité produite via des installations solaires par rapport aux autres filières, les sources que j’ai pu trouver varient grandement selon qu’elles émanent de partisans du nucléaire, de promoteurs des énergies renouvelables, de fabricants de cellules ou de vendeurs de panneaux. (C’est tout le drame de la préparation de ce dossier!) Tantôt, on prend ou non en compte les compensations carbone des centrales à charbon et le coût du démontage des centrales nucléaires, tantôt pas. Et si on arrivait à se mettre d’accord sur une méthodologie, il faudrait encore prendre en compte les énormes variations régionales: amortir son installation solaire prend forcément plus de temps sous un le ciel britannique qu’australien par exemple, ce qui influe sur le prix de revient du kilowatt/heure. Devant ces difficultés,  je préfère renoncer à une comparaison plutôt que raconter n’importe quoi (en gros, selon la perspective, le kw photovoltaïque est entre deux fois moins cher et trois fois plus cher que le nucléaire). No comment.

Par contre, sur un marché donné, la comparaison du prix de l’électricité photovoltaïque avec le prix du courant du réseau est une indication intéressante. Selon un récent rapport de Bloomberg Energy Finance, (juin 2011), la chute vertigineuse des prix de fabrication des panneaux de ces dernières années permet désormais aux installations domestiques, dans les régions bien ensoleillées, d’atteindre la parité par rapport au prix du réseau (20 cents américains par kWh pour le solaire vs 20-25 cents pour le courant du réseau). Et selon le Guardian, qui cite une étude Ernst & Young (malheureusement plus en ligne), le prix des installations va encore baisser de manière significative d’ici 2013 (moitié du prix de 2009), et compte tenu de plein d’autres critères économiques encore (je vous laisserai le soin de lire l’article), dans dix ans, il sera définitivement plus intéressant pour les gros consommateurs de se tourner vers ce type d’installation plutôt que vers les sources traditionnelles d’approvisionnement électrique.

Une énergie vraiment propre?

On peut se poser la question de l’impact environnemental de la production des panneaux solaires. Ils ne tombent pas du ciel, il faut les fabriquer et cela demande de l’énergie et des matériaux plus ou moins polluants. Là aussi, on entend tout et son contraire sur Internet. Heureusement, il y a de temps en temps une publication scientifique contenant des informations vérifiées, j’ai notamment trouvé une étude de chercheurs de New-York et des Pays-Bas qui, en gros, démontre que le cycle de vie complet des panneaux photovoltaïques – même de 1e génération – est l’un des plus propres en comparaison avec toutes les autres technologies de production d’électricité. Les cellules fines – dites de 2e génération – sont plus propres encore. En fouillant un peu plus loin, je me suis rendu compte que le souci n’est pas tellement du côté de la fabrication des cellules, mais plutôt dans le transport et la fin de vie des panneaux. Sur le transport d’abord: les panneaux solaires viennent essentiellement d’Asie (en 2010, les 2/3 de la production mondiale se partageaient entre la Chine, Taiwan et le Japon. La Chine a quintuplé sa production entre 2007 et 2010 pour devenir le n° 1 mondial, loin devant tout le monde, et ce n’est pas fini car la Chine qui avait doublé ses objectifs “solaires” pour 2015 après Fukushima vient de les augmenter de 50% encore fin 2011, les portant à 15GW), bon ceci dit, les panneaux solaires sont également essentiellement consommés en Asie. La Chine seule détenait près de 50% du marché en 2010 déjà et ce n’est pas près de baisser! Ça, donc, c’était pour le transport. Sur l’élimination des panneaux solaires maintenant:  jusqu’à récemment, rien n’était organisé – ni par les industriels ni par les autorités – pour la collecte et le recyclage des panneaux solaires. Selon “Usine Nouvelle” (si, si… Sorry…), en Europe en 2010, l’industrie photovoltaïque générait moins de 6’000 tonnes de déchets. Mais avec une croissance de 35% par année en moyenne, et compte tenu de l’espérance de vie moyenne de 25 ans des panneaux, quelque 130 000 tonnes sont attendues en 2030, ce qui peut commencer à devient un souci. Mais bon, il y a un marché pour la récupération du silicium et l’industrie allemande est en train de donner le “la” de la filière du recyclage. Côté français, une réglementation exige depuis le 1er janvier 2012 que tous les aspects du cycle de vie soient pris en compte avant installation.

Pour conclure sur les aspects environnementaux, j’ai trouvé une étude étude (pdf, 339 Ko) du laboratoire national pour l’énergie renouvelable, aux Etats-Unis commandée par le département américain de l’énergie et basé sur des recherches indépendantes néerlandaise et japonaise. Elle indique que le “payback”, en anglais, soit le retour sur l’investissement énergétique est atteint après 1 an pour les meilleures cellules (celles de 2e génération, nous allons voir ça dans un instant) et de 4 ans pour les cellules de 1e génération. En gros, il faut entre 1 et 4 ans aux panneaux solaires pour “rembourser” toute l’énergie nécessaire à leur production, toutes étapes du processus confondues, ce qui est particulièrement intéressant quand on sait que les panneaux ont une espérance de vie de 30 ans environ.

Et pourquoi pas une centrale solaire dans le Sahara?

Un des problèmes, c’est qu’on ne consomme pas toujours l’énergie là où le soleil brille. Prenons la vieille idée de recouvrir les zones inhabitées du Sahara de panneaux solaires. Vieille car elle a été évoquée la première fois par Franck Shuman, un inventeur américain, en 1913. Il a d’ailleurs créé la première centrale thermique solaire en Egypte à cette époque-là (1912-1913), un vrai fou.  L’idée est régulièrement classée puis ressortie des tiroirs. Séduisante sur le papier, elle n’a encore jamais mise en pratique pour plusieurs raisons:

  • Transporter l’énergie a un coût. Les pertes se limiteraient à quelque 3% par 1’000 kilomètres après conversion en courant alternatif à haute tension. Après 4’000 kilomètres traversés depuis le Sahara, on n’aurait donc paumé 12% du courant ainsi généré;
  • Le soleil ne brille que 12 heures par jour au maximum à l’équateur, on aurait quand même un problème la nuit, et c’est là que l’éclairage peut être utile…
  • Les panneaux solaires sahariens seraient soumis à des conditions extrêmes. On pense tout de suit aux tempêtes de sable, mais le problème n° 1 serait la chaleur. Pour éviter d’endommager les panneaux solaires, il faudrait les refroidir… Avec de l’eau! On commence à comprendre les soucis ;)
  • Et ce n’est pas tout! Le coût n’est pas négligeable. La fondation Desertec qui cherche à mettre en place des solutions de ce type estime que, pour le Sahara, ça coûterait la bagatelle de 500 milliards de dollars;
  • Le dernier problème à mon avis, qui ne serait pas des moindres, serait la question du pipeline. On le voit avec les oléoducs et les gazoducs, ils constituent un enjeu géostratégique majeur. Pourquoi en irait-il différemment avec des lignes à haute tension si couper un seul fil permettait de faire la pluie et le beau temps sur la politique internationale?
Bref, le Sahara recouvert de panneaux solaires, ce n’est pas pour demain.

Le projet de centrale orbitale de la NASA (Wikipédia)Dans ce cas, pourquoi pas voir encore plus grand avec une centrale solaire orbitale ?

Aussi incongru que ça puisse paraître, c’est un projet qui est pris très au sérieux et cela fait plus de 40 ans qu’on y consacre des recherches. Selon Wikipédia, c’est même la pré-étude la plus chère de la NASA à ce jour (50 millions de dollars entre 1978 et 1981). Depuis 2009, un consortium d’entreprises  japonaises s’y est mis également et en 2010 les industriels européens de l’EADS ont annoncé un projet (source Wikipédia). L’idée est assez simple: aller chercher le soleil, là où il est. Et transmettre à la Terre l’énergie ainsi collectée par une technologie sans fil, soit des micro-ondes soit un laser infrarouge. Les avantages seraient très nombreux:
  • Un rayonnement beaucoup plus intensif que sur Terre: hors atmosphère, l’efficacité de la collecte d’énergie serait à 144% du maximum obtenu sur Terre;
  • 24 heures d’ensoleillement par jour toute l’année au lieu de 12 en moyenne sur Terre;
  • Elimination des problèmes liés à la météo;
  • Pas d’interférence avec les plantes et les animaux;
  • Transmission possible à différents points de collecte sur Terre, pas forcément toujours le même.
Très séduisant sur le papier, mais évidemment, il faut encore faire face à quelques petites bricoles, comme…
  • Acheminer tout cela dans l’espace; les coûts financiers et écologiques des lancements sont exorbitants. J’ai trouvé une simulation intéressante sur la version anglaise de wikipédia:

Pour donner une idée du problème, en admettant que la masse d’un panneau solaire soit de quelque 20 kg par kilowatt (sans compter la structure, l’antenne, les miroirs), une station de 4 GW pèserait quelque 80’000 tonnes. Des conceptions hyper légères pourraient peut-être optimiser tout cela d’un facteur 20. Admettons: 4’000 tonnes pour une station d’une capacité de 4 GW. Il faudrait entre 40 et 150 fusées pour envoyer le matériel en orbite basse où d’autres fusées plus légères prendraient le relais pour les placer en orbite géostationnaire. Ce processus seul coûterait déjà 11 milliards de dollars pour la conception légère, 320 milliards pour la conception classique. Pour 4 GW. En comparaison, les centrales nucléaires ou à charbon reviennent à 3 à 6 milliards par GW (sans inclure les coûts cachés liés à ces centrales)

S’il faut attendre l’ascenseur spatial pour régler le problème, on peut encore rigoler quelques années ;)

  • Entretenir l’installation (soumise à des rayonnements violents, à des pluies d’astéroïdes, bref à tout ce dont nous sommes bien protégés sur la Terre ferme);
  • Et surtout… Transmettre l’énergie. Ce serait une grande première! Aujourd’hui, qu’on opte pour le laser ou les micro-ondes, on ne sait transmettre de l’énergie que sur quelques kilomètres, avec des pertes importantes.

L’avenir du photovoltaïque

L’avenir du photovoltaïque est peut-être en orbite, mais il est peut-être plus proche de nous. Peut-être dans les centrales solaires thermodynamiques. C’est une approche relativement nouvelle qui consiste à collecter indirectement la lumière du soleil après l’avoir concentrée avec des miroirs. Contrairement aux cellules photovoltaïques, les miroirs ne coûtent pratiquement rien à fabriquer. On obtient de meilleurs résultats sans augmenter le nombre de cellules, c’est plutôt intéressant.

L’avenir se situe peut-être aussi plus près de nous encore, dans nos vêtements ou nos rideaux… En effet, les panneaux solaires ne sont plus condamnés à être noirs, moches et rigides. Enfin, noirs, c’est quand même recommandé… Car c’est la couleur qui absorbe le plus de photons, ce serait dommage de s’en priver.

Les cellules de 2e génération

Les cellules suisses Flexcell, un exemple de cellules de 2<sup>e</sup> générationOn appelle les cellules de 2e génération les cellules à couches minces. Elles sont une évolution des cellules de 1e génération: réalisées avec du silicium mais en couches extrêmement fines. Elles peuvent aussi être réalisées avec autre chose que du silicium, du tellurure de cadmium par exemple. La technologie est mûre mais elle ne cesse d’être optimisée. On sait maintenant produire des cellules à nano-structures qui ne dépassent pas les quelques centaines de microns d’épaisseur. Elles présentent deux avantages et un inconvénient par rapport aux cellules de 1e génération: elles sont nettement moins chères à produire (car ne contiennent que très peu de matière première) et esthétiquement beaucoup plus intéressantes, car elles peuvent être installées sur des substrats souples plutôt que sur du verre. Certaines entreprises les conditionnent en nattes assez géniales pour voyager dans les zones reculées; vous les enroulez dans votre sac à dos pendant les déplacements et vous les disposez au soleil pendant les pauses pour recharger les batteries et faire bouillir l’eau du thé. Ça, c’est pour les avantages. Au niveau des inconvénients, les rendements sont encore nettement moins bons. Les cellules de ce type qu’on trouve dans le commerce atteignent des rendements de l’ordre de 9%. Mais ce n’est pas fini, la recherche continue. Les prototypes atteignent 13%. Et en laboratoire, on arrive à des rendements de 20%. Le fer de la lance de la recherche dans le domaine est un laboratoire suisse, le PV-Lab de l’EPFL, dirigé par Christophe Ballif et  basé à Neuchâtel en Suisse. Le laboratoire repousse sans arrêt les limites de la technologie. Les chercheurs qui y travaillent viennent par exemple, en décembre dernier, en partenariat avec la R&D d’un industriel, d’atteindre un nouveau seuil dans l’efficacité pour cette technologie en atteignant un rendement de 21%.

Les cellules de 3e génération

Encore plus intéressantes puisqu’elles ont réussi à se débarrasser du silicium et la jonction P-N (et donc de la fameuse limite de Schockley-Queisser). Là, on a essentiellement 3 approches:

  • les cellules Grätzel, du nom de leur génial inventeur, le Professeur Michaël Grätzel, de l’EPFL. Ces cellules à pigment photosensible s’inspirent de la photosynthèse, et, même si leur rendement est encore relativement faible (12.3% aux dernières nouvelles), il ne cesse de grimper et pourrait théoriquement atteindre 30%. La cellule n’étant composée que de matériaux low-tech qui ne coûtent rien ou presque à produire, son ratio efficacité/coût bat à plates-coutures celui des cellules en silicium.
  • en Suisse encore, à l’EMPA, cette fois, nous avons le professeur Ayodhya Tiwari dont l’équipe a pulvérisé les records l’année dernière avec les cellules CIGS. Ce sont des cellules à couches minces à base de cuivre, d’indium de gallium et de (di)selenide, d’où leur nom. Ces cellules atteignent le rendement hallucinant de 18.7%, les fabricants de panneaux en silicium ont du souci à se faire ;)
  • enfin, en Suisse encore, nous avons également le professeur Nüesch qui dirige à l’EMPA également, près de Zürich le laboratoire de polymères fonctionnels. Ses travaux portent sur des cellules organiques. Non seulement, elles se passent de silicium, mais elles se passent carrément du panneau solaire!  A partir de là, tout peut devenir solaire: vêtements, écrans souples, stores… Encore assez éloignées du marché leur rendement est assez modeste (quelque 5%) mais l’approche est prometteuse!

Pour conclure…

On aurait pu parler des politiques d’encouragement des énergies renouvelables et de mille choses encore. Mais il aurait fallu faire pour cela un deuxième dossier. Avant de conclure, je voudrais juste mettre un peu les choses en perspective: nous avons parlé du photovoltaïque, mais finalement que représente-t-il en proportion de l’énergie produite et consommée sur Terre? L’agence internationale de l’énergie estime dans un récent rapport (pdf en anglais 2.6Mo) que le photovoltaïque pourrait fournir 5% de l’électricité globalement consommée en 2030 et jusqu’à 11% en 2050. OK, mais aujourd’hui, on en est où?

Une fois encore, ça se gâte pour trouver les chiffres: ceux que l’AIE fournit sur son site web datent de 2007. Ceux de Wikipédia proviennent des stats de BP (pdf) et ne sont pas à jour non plus. Du coup, j’ai renoncé au monde et je me suis rabattu sur les chiffres français (pdf, 922 ko). Un pays comme un autre, en somme… Ce sont les chiffres pour 2010. Et l’intro du rapport nous rapidement la perspective: “Le photovoltaïque triple, mais demeure marginal”. Et effectivement si on regarde la structure de la production totale brute d’électricité en France, le photovoltaïque est beau dernier dans le tableau pour 2010:

Photovoltaïque: 0.1% (ce qui est quand même nettement mieux que les 0.0% pour 2009 ;) )
Eolien: 1.7%
Thermique classique: 11%
Hydraulique: 11.9%
Nucléaire: 75,3%

Ressources

Une vidéo très sympa de Sci-show que j’ai trouvée pendant la rédaction du dossier. En anglais, excellente présentation, super bien construit, mais attention, à mon avis, toutes les sources n’ont pas été scrupuleusement vérifiées.

 

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Introduction

Avant de pouvoir déterminer les conditions nécessaires à la vie, il faut pouvoir définir ce qu’est la vie. Et définir ce qu’est la vie n’est pas une tâche facile. Pierre Kerner dans son dossier sur l’arbre du vivant nous a dit qu’il fallait considérer la vie non comme une substance aux propriétés éternelles, mais plutôt comme le résultat d’un processus issu de sélection naturelle. Et les caractéristiques du processus du vivant peuvent être décrites par la capacité de celui-ci à:

  • croître
  • se nourrir
  • se reproduire
  • évoluer
Pour tenter de compléter la défintion de Pierre, on pourrait aussi ajouter un élément important qui est celui de la capacité symbiotique du vivant.

La symbiose

La symbiose entre deux organismes vivants est la capacité de ceux-ci à collaborer et à s’entre-aider mutuellement pour survivre. On trouve de nombreux exemples de symbiose dans le règne animal et végétal. Un exemple tout simple est celui des bactéries qui se trouvent dans notre flore intestinale indispensables à notre survie. Les lichens sont aussi un bon exemple de symbiose, ils sont généralement constitués de l’association symbiotique entre un champignon et une algue.

lichen

Mais on peut aussi descendre d’une échelle et parler de symbiose moléculaire. En effet, les molécules dans nos cellules forment et s’assemblent dans un système complexe de type symbiotique. On voit que certaines molécules existent par ce que d’autres sont aussi présentes, les unes ne pourraient pas être présentes sans les autres. C’est cette symbiose moléculaire qui contribue à la survie de l’ensemble du système moléculaire et donc de nos cellules. Par exemple les molécules d’ADN peut exister uniquement parce qu’il y a les protéines, qui sont d’autres types de molécules, qui peuvent l’aider dans sa reproduction. Et vice-versa, les molécules de protéines peuvent exister car l’ADN est capable de son côté via l’ARN messager à se traduire en protéines. On voit bien qu’on se trouve dans une sorte de circuit fermé dans lequel certaines molécules ne pourraient pas survivre et exister sans l’aide d’autres molécules.

Une molécule en soi est inerte, mais au sein d’un système moléculaire plus complexe, celui-ci peut devenir dynamique.

La chimie du vivant

Essentiellement les éléments chimiques constitutifs des molécules de base nécessaires au développement de la vie sont les éléments chimiques constitutifs de l’ADN et des acides aminés:

  • Carbone
  • Oxygène
  • Azote
  • Hydrogène
  • Soufre
  • Phosphore

Ces différents éléments sont très abondants et disponibles dans le milieu interstellaire. D’ailleurs on pense que ce serait un astéroide (embryon de planète) qui aurait apporté sur Terre ces éléments sous forme de molécules.

Le Carbone est l’élément le plus important de tous pour l’apparition de la vie. C’est lui qui lui donne en quelques sortes le squelette chimique principal du vivant. L’atome de Carbone a la propriété de pouvoir s’unir à 4 autres éléments chimiques  (principalement Carbone, Oxygène, Azote et Hydrogéne) pour former des molécules organiques. L’atome de Carbone possède 4 liaisons chimiques possibles, c’est-à-dire il a en quelques sortes 4 bras avec lesquels il peut en faire beaucoup de choses. Il peut grâce à ses 4 bras (à ces 4 possibilités de liaison chimique) créer des chaînes moléculaires en s’associant à d’autres atomes de Carbone ou à de l’Oxygène, Azote, Hydrogène… Mais une autre particularité intéressante du Carbone est que l’énergie mise en jeu dans la liasion qui l’unit à un atome voisin n’est pas contraignante. Les énergies de liaison et de rupture sont similaires entre le Carbone et les éléments chimiques avec lesquels il peut se combiner pour que la vie apparaisse. Par exemple, l’énergie mise en jeu dans une liaison Carbone-Oxygène est similaire à celle mise en jeu dans une liaison Carbone-Carbone ou Carbone-Azote. L’atome de Carbone n’a donc pas de préférence de liaison avec un élément qui aurait une liaison plus forte et plus difficile à rompre. L’atome de Carbone traite les éléments avec lesquels il s’unit de façon equitable, c’est un atome démocratique. Ces différentes propriétés lui confère donc une grande capacité de diversité de combinaisons moléculaires. Sans diversité moléculaire, un système complexe avec métabolisme et symbiose moléculaire ne pourrait tout simplement pas exister.

molecule carbone

L’eau liquide est aussi un élément indispensable, car elle va jouer le rôle de solvant pour faciliter les réactions chimiques à partir de ces éléments chimique de base. L’eau permet aussi de transporter les molécules de ces éléments pour qu’elles se rencontrent. (L’organisation et l’agencement des molécules organiques se fait au détriment de celui des molécules d’eau qui acquièrent plus de désordre. Cette échange de procédé entre molécules organiques et l’eau a tendance à augmenter l‘entropie du système, c’est le fameux deuxième principe de la thermodynamique). L’eau des océans terrestres aurait en partie comme origine la glace présente sur des comètes qui auraient impactées la Terre à plusieurs reprises quelques millions d’années seulement après la création de notre planète (il y 4,55 millards d’années).

Pour former des longues molécules, c’est-à-dire des chaînes d’acides aminés, on a besoin de former des liaison peptidiques entre les molécules organiques primordiales à base de Carbone. Une protéine est constituée de plusieurs acides aminées mis bout à bout grâce à ces liaisons peptidiques. Pour effectuer ce processus de liaison entre acides aminés, il faut éliminer une molécule d’eau. Si tout se passe dans l’eau, c’est pas efficace, car l’eau est partout et aura tendance à empêcher la création de ces liaisons peptidiques. On a donc besoin de période d’alternance entre une certaine humidité et de la sécheresse. L’orgine de la vie aurait donc plutôt eu lieu dans des flaques d’eau ou dans des zones de marée. Par exemple une flaque d’eau peut s’évaporer permettant la concentration et la création des ces liaisons peptidiques, puis la pluie permet de recommencer le cycle d’alternance eau-sécheresse.

Acide aminé

L’expérience de Miller

(Alan)

Montre en mains, je vais tenter de présenter l’expérience de Miller en moins de 5 minutes. Un grand merci à David du blog Science Etonnante pour son récent billet sur l’expérience de Miller, dont je me suis très largement inspiré. On en fait tous l’expérience à chaque instant: nous avons besoin d’oxygène pour vivre. Or l’oxygène est un oxydant extrêmement puissant qui abime les molécules du vivant comme les protéines et l’ADN. Impossible d’imaginer que la vie ait pu démarrer dans une atmosphère riche en oxygène comme celle de la Terre d’aujourd’hui.

L’hypothèse d’Alexander Oparin

C’est pour cela qu’aux XIXe et début du XXe siècle, la théorie la plus en vogue était celle de la panspermie (qui postule que la vie sur Terre serait d’origine extra-terrestre). Mais en 1920, le biochimiste  Alexander Oparin émet une hypothèse folle: et s’il n’y avait pas toujours eu de l’oxygène dans l’atmosphère terrestre? Et si cela avait permis à la vie de démarrer par une succession de simples réactions chimiques? La Terre a 4.5 milliards d’années. Les traces de vie les plus anciennes remontent à 3.5 milliards d’année. L’atmosphère a eu le temps de changer. Pour l’oxygène, on sait maintenant qu’Oparin avait raison. C’est la vie, et notamment la photosynthèse qui produit les quantités astronomiques d’oxygène qu’on trouve dans l’atmosphère terrestre.

L’expérience de Miller

Un peu plus de 30 ans plus tard, un jeune doctorant de l’Université de ChicagoStanley Miller réalise, en 1953, une expérience qui lui permet de publier sa thèse, de valider l’hypothèse d’Oparin et de se rendre célèbre: il re-crée en éprouvette les conditions de la soupe originelle, soit 3 ingrédients:
  • un mélange de gaz proche de ce qu’on pensait être l’atmosphère primitive  (hydrogène, méthane et ammoniac);
  • de l’eau;
  • des étincelles (décharges électriques représentant les éclairs).
Les premières réactions sont visibles dès les premiers éclairs: l’atmosphère devient rose. Au bout d’une semaine, Stanley Miller analyse le contenu de cette soupe: tadaaa! Il y trouve  11 acides aminés, ces briques élémentaires du vivant, sans magie, juste en partant de quelques composants chimiques non-organiques naturellement présents.
Depuis, on a refait son expérience. Avec des mesures plus précises, on a trouvé jusqu’à 25 acides aminés (le vivant n’en utilise que 20). En changeant un peu la composition de la soupe primordiale (en y ajoutant par exemple du sulfure d’hydrogène ou du dioxide de soufre, qui auraient pu être fournis grâce aux volcans), on obtient encore plus d’acides aminés
L’expérience n’a pas permis de démontrer la production spontanée de molécules plus complexes comme des protéines par exemple. Mais bon, en laboratoire, on n’a pu simuler que ce qui se passe en quelques jours, quelques semaines voire quelques années. Pour rappel, dans la nature, il s’est écoulé près d’un milliard d’années, soit mille millions d’années, soit mille milliers de milliers d’années – ce qui est complètement inaccessible à notre entendement – pour combiner et recombiner ces briques élémentaires jusqu’aux premières traces de cyano-bactéries observées. L’évolution explique le reste. Il est bien sûr à ce stade impossible de prouver que c’est bien comme cela que la vie a démarré, mais l’hypothèse d’Oparin reste tout à fait pertinente et vraisemblable.

La vie basée sur le Silicium

On a vue que l’atome de Carbone a la possibilité de fomer 4 liaisons chimiques. Le Silicium qui se trouve juste au-dessous du Carbone dans le tableau périodique a lui aussi 4 possibilités de liaisons. Pourquoi ne pourrait-il pas s’unir à d’autres éléments et former 4 chaines de liaison comme le fait le Carbone et donner naissance à une vie basée sur le Silicium?

Le Silicum a quelques inconvénients par rapport au Carbone. Il s’unit à l’Oxygène avec beaucoup plus de force qu’avec les autres éléments. Il a en quelques sortes une préférence pour l’Oxygène. D’ailleurs tout le Silicium qu’on trouve sur Terre est saturé par l’oxygène et se trouve sous forme de silicates (SiO2). On peut alors argumenter qu’il pourrait exister quelque part dans l’Univers une planète contenant du Silicium, mais pas d’Oxygène. Sur une telle planète la formation de silicates serait impossible, et ça pourrait alors donner naissance à des molécules à base de Silicium possédant des liaisons énergétiques similaires avec d’autres éléments, comme le fait le Carbone. Néanmoins on sait que les éléments chimiques comme le Silicium et l’Oxygène se forme à l’intérieur des étoiles suite à des fusions nucléaires. L’explosion d’une étoile en supernova libère ces éléments dans l’espace. Hors l’Oxygène se forme de façon beaucoup plus abondante que le Silicium, dans l’Univers il existerait 9 fois plus d’atome d’oxygène que de Silicium. L’Hydrogène est l’élément chimique le plus abondant dans l’Univers, ensuite l’Hélium, puis l’Oxygène et en 4ème position vient le Carbone, lui aussi bien plus abondant que le Silicium. (L’Hydrogène est très abondant dans l’Univers mais il est aussi très léger, la Terre n’a pas la force de gravitation suffisante pour le maintenir à l’état gazeux, il se trouve principalement attrapé dans des molécules d’eau – H20).

Supposons tout de même que le Silicium se trouve dans un environnement qui lui permette de former des molécules possédant d’autres chaines chimiques que celles qu’on pourrait créer avec l’Oxygène qui serait absent de cet environnement. On sait que l’eau liquide est un milieu indispensable pour favoriser la rencontre, l’organisation et le métabolisme de ces molécules. Hors dans le cas du Silicium, l’eau décomposerait très rapidement les chaînes moléculaires du Silicium, au lieu de les organiser comme elle le fait avec celles de Carbone. Le Silicium s’unirait alors rapidemment à l’Oxygène de l’eau pour former à nouveau des silicates. Il faudrait pouvoir imaginer un liquide nouveau qui serait capable de favoriser l’organisation des molécules de Silicium au lieu de les décomposer. A ce jour, on ne connaît aucun liquide susceptible d’avoir ces propriétés vis-à-vis du Silicium. Il semble donc très peu probable que la vie spontanée puisse apparaître ou avoir apparu à partir du Silicium.

Sources:

http://cienciaes.com/entrevistas/2011/02/08/vida-basada-en-el-silicio-laborda/

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