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La route vers les carburants solaires se heurte à un ralentisseur
Lorsque j'ai visité le Lawrence Berkeley National Laboratory en mars, Frances Houle, directrice adjointe du Centre commun de photosynthèse artificielle , a présenté l'une des dernières avancées du centre. C'est un appareil qui décompose l'eau en hydrogène et en oxygène à la lumière du soleil. Les chercheurs du laboratoire avaient auparavant utilisé la lumière artificielle pour piloter le processus; c'était la première fois qu'ils le faisaient avec de la lumière naturelle. Fixé sur un support métallique mince sur le toit du bâtiment du centre au-dessus de Berkeley, avec une vue spectaculaire à l'ouest sur la baie de San Francisco, le petit appareil dispose d'une cellule solaire qui fournit l'énergie nécessaire à un catalyseur chimique pour diviser l'eau. Au sommet de l'appareil, de l'hydrogène pur bouillonnait.
Créé en 2010 sous la direction du secrétaire à l'Énergie Steven Chu, le centre, communément appelé JCAP, a un objectif audacieux : créer des carburants en utilisant uniquement la lumière du soleil, le dioxyde de carbone et l'eau (voir L'effort de photosynthèse artificielle prend racine). Réalisé de manière économique, ce serait une réalisation de Promethean, représentant un énorme pas en avant vers la résolution des deux défis majeurs du passage des combustibles fossiles aux énergies renouvelables : stocker de grandes quantités d'énergie pour une utilisation ultérieure et alimenter des modes de transport qui ne peuvent pas facilement fonctionner avec des batteries.
Toutes les études sur un système d'énergie propre que j'ai jamais vues identifient les deux mêmes lacunes technologiques, dit Nate Lewis , directeur fondateur du centre. Stockage d'énergie massif à l'échelle du réseau pour compenser l'intermittence de l'énergie éolienne et solaire, et un carburant de transport liquide à haute densité énergétique et neutre en carbone. Transformer la lumière du soleil en carburant permettrait à l'énergie solaire captée pendant la journée d'être stockée, transportée et utilisée lorsque le soleil ne brille pas. Le même carburant pourrait remplacer les combustibles fossiles qui alimentent les avions et les navires d'aujourd'hui. Il n'y a rien de tel qu'un avion ou un bateau électrique enfichable, ajoute Lewis.
L'une des principales réalisations de JCAP a été les dispositifs alimentés par l'énergie solaire capables de séparer l'eau en hydrogène et en oxygène, une première étape importante sur la voie de la photosynthèse artificielle.
Hébergé à Caltech et Lawrence Berkeley Lab, JCAP a été financé à l'origine avec 122 millions de dollars sur cinq ans, et son financement a été renouvelé (bien qu'à un niveau inférieur) l'année dernière. Désormais dirigé par Harry Atwater, professeur de physique appliquée au Caltech, il a réalisé des réalisations impressionnantes au cours de ses six années d'existence. Plus particulièrement, les scientifiques du JCAP ont réussi à construire des dispositifs comme celui que j'ai vu, des prototypes qui peuvent diviser l'eau en hydrogène et en oxygène à 10 fois l'efficacité de la photosynthèse. C'est une première étape importante vers la photosynthèse artificielle ; la prochaine étape serait de combiner l'hydrogène avec le dioxyde de carbone pour produire des combustibles solaires qui pourraient remplacer les combustibles fossiles.
Au cours de la dernière année, cependant, le JCAP a effectué un changement de cap important. Le ministère de l'Énergie a renouvelé son financement l'an dernier à 15 millions de dollars par an, soit près de 40 % de moins que le taux de la période de cinq ans précédente. De plus, les responsables du DOE ont demandé aux scientifiques de recentrer leurs efforts sur la fabrication de dispositifs qui pourraient être commercialisés au cours des prochaines années et sur la recherche scientifique fondamentale sur les processus complexes sous-jacents à la photosynthèse artificielle. L'objectif initial du JCAP, selon l'annonce de sa création en 2010 , était de développer un système intégré de conversion de l'énergie solaire en carburant chimique et de faire passer ce système de la phase de découverte sur banc à une échelle où il peut être commercialisé. Désormais, son mandat ne va plus au-delà de la phase de découverte.
Au cours de ses cinq premières années, JCAP s'est concentré principalement sur l'hydrogène, explique Christopher Fecko, responsable de programme pour JCAP au sein du DOE. Bureau des sciences . Relever le défi scientifique sous-jacent de la photosynthèse artificielle complète nécessitera des recherches et des découvertes scientifiques fondamentales et transformationnelles qui permettront éventuellement à ces technologies, dit-il, et nous faisons d'excellents progrès. Le déploiement technologique et la production commerciale sont dans le futur.
Dans le futur pourrait signifier dans cinq ans ou quelques décennies. L'abandon de l'élaboration d'une solution de travail aussi rapidement que possible est un aveu que l'objectif initial de JCAP de la photosynthèse artificielle est beaucoup plus difficile et plus éloigné que les scientifiques ne l'avaient compris en 2010. C'est aussi une décision tactique de ne pas dépenser d'argent fédéral pour créer un dispositif de travail pour produire de l'hydrogène, même si cette technologie est beaucoup plus proche de la commercialisation.
Ma vision initiale était de donner aux scientifiques beaucoup de latitude et de les laisser choisir la direction qu'ils jugent la plus prometteuse afin qu'ils puissent réellement assembler quelque chose, explique Chu, qui a quitté le DOE en 2013 et est maintenant professeur de physique et moléculaire et physiologie cellulaire à Stanford. Aujourd'hui, ajoute-t-il, je ne pense pas qu'on leur donne la liberté que j'envisageais.
La première étape de la photosynthèse consiste à séparer l'eau en hydrogène et en oxygène, qui est libéré comme sous-produit. L'hydrogène réagit ensuite avec le dioxyde de carbone pour produire des glucides, qui alimentent la croissance des plantes. La photosynthèse artificielle cherche à utiliser les mêmes intrants (énergie solaire, eau et dioxyde de carbone) pour produire des combustibles liquides à haute densité énergétique. Si ces carburants étaient dérivés du dioxyde de carbone capturé dans l'air, le processus pourrait être neutre en carbone, c'est-à-dire qu'il n'ajouterait aucune nouvelle émission de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.
Basé au Lawrence Berkeley National Laboratory, JCAP a été conçu comme un incubateur de technologies de type Bell Labs qui pourrait être rapidement commercialisé.
Depuis 2010, année de la création du JCAP, la recherche sur la photosynthèse artificielle et les combustibles solaires a pris de l'ampleur dans le monde entier. Des consortiums nationaux de recherche et développement s'attaquent au problème au Japon, en Suède et dans d'autres pays. Le DOE soutient d'autres programmes, tels que le Centre de recherche Energy Frontier pour les combustibles solaires à l'Université de Caroline du Nord. Des startups comme Opus12 , fondée par un trio d'étudiants diplômés de Stanford, et Lumière liquide , dirigé par le professeur de chimie de Princeton Andrew Bocarsly, tentent de créer des entreprises à partir de la photosynthèse artificielle.
La question est de savoir s'ils porteront leurs fruits à temps pour aider à limiter le changement climatique mondial. L'un des problèmes est que rendre les combustibles solaires neutres en carbone nécessitera de toutes nouvelles technologies et infrastructures pour capturer le carbone de l'air ou les émissions des centrales à combustibles fossiles.
L'autre problème est que la conversion du dioxyde de carbone pour compléter le processus de photosynthèse est très, très difficile. Cela implique six étapes chimiques distinctes, et il n'existe aucun catalyseur connu qui convertira le dioxyde de carbone en carburant de manière efficace et sélective, comme c'est le cas pour la réaction de séparation de l'eau.
Le défi auquel le JCAP s'attaque au cours de ses cinq prochaines années est en fait plus fondamental et difficile à bien des égards que l'effort de l'hydrogène, mais il est potentiellement très rentable, déclare Fecko.
Selon Harry Atwater, le successeur de Lewis à la direction du JCAP, ce changement a conduit l'ensemble de l'entreprise non pas à des activités de prototypage et de mise à l'échelle, mais à se concentrer beaucoup plus sur la recherche fondamentale. Cette orientation s'aligne sur les objectifs du DOE Programme de base en sciences de l'énergie , qui contrôle le financement du JCAP. Mais cela ne nous rapprochera pas, à court terme, de la construction d'appareils et de la création d'une industrie autour des combustibles solaires.
C'est pourquoi Nate Lewis pense que l'abandon du prototypage et de la mise à l'échelle des dispositifs générateurs d'hydrogène était une erreur. L'hydrogène lui-même est un produit final utile, soutient Lewis. Il peut être brûlé directement dans des moteurs à combustion interne modifiés. Il peut être converti en carburant synthétique via le Procédé Fischer-Tropsch . Il peut être utilisé dans les piles à combustible pour stocker de l'énergie et produire de l'électricité, ne laissant que de l'eau comme déchet. Les prototypes de fractionnement de l'eau développés au JCAP nécessiteront encore un développement approfondi pour être transformés en dispositifs commerciaux utiles. Mais Lewis est convaincu qu'il peut y arriver, et dans un délai relativement court : si nous avions moins de 5 millions de dollars par an, je suis assez confiant que nous pourrions y arriver en cinq ans, et c'est la première fois que je dis ça , il dit.
Les scientifiques du JCAP Sonjia Francis (à droite) et Dan Torelli (à gauche) étudient la réduction électrochimique du dioxyde de carbone en carburant liquide. Le JCAP s'est détourné de la recherche de solutions pour se concentrer sur la recherche scientifique fondamentale.
Pour l'instant, cependant, ce travail ne sera pas effectué par le biais du JCAP. Lewis soutient la poursuite des recherches sur la photosynthèse artificielle à grande échelle. Mais il considère la réorientation du JCAP comme l'abandon d'une technologie d'énergie propre prometteuse - la séparation de l'eau pour la production d'hydrogène - qui pourrait être commercialisée beaucoup plus tôt. La recherche fondamentale sur la conversion du dioxyde de carbone est une portée et un objectif très étroitement définis, dit-il. Les combustibles solaires devraient être beaucoup plus larges que le choix d'un moyen spécifique pour y arriver et le financement d'autres options.
Atwater et Fecko affirment que l'invention d'un dispositif de séparation de l'eau a été une étape importante que d'autres laboratoires et d'autres chercheurs peuvent mener à bien. Notre travail consiste à faire avancer la recherche qui donnent lieu à des options technologiques, dit Atwater. Nous sommes des scientifiques, nous ne pouvons pas pousser le ballon jusqu'à la ligne de but.
Atteindre la ligne de but, cependant, était l'objectif initial fixé par Chu lors de la création du centre. Dans un sens, le JCAP est une étude de cas sur les promesses et les périls du financement fédéral à long terme des technologies énergétiques. Chu parle avec regret du chemin que n'a pas emprunté le programme qu'il a créé en 2010. La science fondamentale est une chose nécessaire et merveilleuse, dit-il. Mais ce n'est pas ce que j'avais en tête.