Les plus grandes avancées en matière d'énergie propre en 2016

Les énergies propres ont fait des progrès décisifs en 2016. Les accords de Paris sur le climat est entré en vigueur , le prix des installations solaires a continué à baisser , investissements dans les énergies renouvelables monté en flèche , l'éolien offshore a finalement démarré aux États-Unis, et les scientifiques ont réalisé une série d'avancées techniques qui promettent de rendre l'énergie durable de plus en plus efficace et abordable.

Ce dernier est essentiel, car l'invention reste le moyen le plus sûr d'éviter les plus grands impacts du changement climatique. Les technologies renouvelables disponibles dans le commerce d'aujourd'hui ne peuvent pas répondre à toutes les demandes énergétiques mondiales, même si elles sont développées de manière agressive. Les États-Unis manquent d'environ 20% d'ici 2050, selon une analyse approfondie du National Renewable Energy Laboratory. Pendant ce temps, le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat de l'ONU conclu le monde doit réduire les émissions de gaz à effet de serre jusqu'à 70 % d'ici le milieu du siècle, et à près de zéro d'ici 2100, pour avoir une chance d'éviter les niveaux de réchauffement qui pourraient entraîner l'effondrement des villes, des extinctions massives et des sécheresses généralisées.

Nous avons donc besoin de sources d'énergie renouvelables plus efficaces, d'un stockage moins cher, de réseaux plus intelligents et de systèmes efficaces de capture des gaz à effet de serre. Voici quelques-unes des avancées scientifiques les plus prometteuses de 2016.

Photosynthèse artificielle

L'une des pièces manquantes cruciales dans le portefeuille des sources d'énergie renouvelables est un carburant liquide propre qui peut remplacer l'essence et d'autres carburants de transport. L'une des possibilités les plus prometteuses est la photosynthèse artificielle, imitant la propre méthode de la nature pour convertir la lumière du soleil, le dioxyde de carbone et l'eau en carburants.

Il y a eu des améliorations lentes mais régulières dans le domaine ces dernières années. Mais cet été, les scientifiques de Harvard Daniel Nocera et Pamela Silvers, en partenariat avec leurs co-auteurs , a développé une «feuille bionique» capable de capturer et de convertir 10% de l'énergie solaire, un grand pas en avant pour le domaine. C'est aussi environ 10 fois mieux que la photosynthèse de votre plante moyenne.

Les chercheurs utilisent des catalyseurs fabriqués à partir d'un alliage cobalt-phosphore pour diviser l'eau en hydrogène et en oxygène, puis utilisent des bactéries spécialement conçues pour engloutir le dioxyde de carbone et l'hydrogène et les convertir en carburant liquide.

D'autres laboratoires ont également fait des progrès notables dans l'efficacité et la durabilité des dispositifs à combustible solaire au cours des derniers mois, notamment le Lawrence Berkeley National Laboratory et le Joint Center for Artificial Photosynthèse. Cette année, ce dernier laboratoire a créé un appareil solaire qui convertit le dioxyde de carbone en formiate à des niveaux d'efficacité de 10 %. Le formiate peut être utilisé comme source d'énergie pour les piles à combustible spécialisées.

Mais le domaine reste confronté à des défis techniques considérables, comme auparavant Examen de la technologie MIT histoire expliquée, et tous les produits commerciaux sont encore probablement dans des années.

Solaire thermophotovoltaïque

Ce printemps, une équipe de chercheurs du MIT signalé le développement d'un dispositif solaire thermophotovoltaïque qui pourrait potentiellement dépasser les limites d'efficacité théoriques du photovoltaïque conventionnel utilisé dans les panneaux solaires. Ces cellules solaires standard ne peuvent absorber l'énergie que d'une fraction du spectre de couleurs de la lumière solaire, principalement la lumière visuelle du violet au rouge.

Mais les scientifiques du MIT ont ajouté un composant intermédiaire composé de nanotubes de carbone et de cristaux nanophotoniques qui fonctionnent ensemble comme un entonnoir, collectant l'énergie du soleil et la concentrant dans une bande étroite de lumière.

Les nanotubes captent l'énergie sur l'ensemble du spectre de couleurs, y compris dans les longueurs d'onde ultraviolettes et infrarouges invisibles, la convertissant en énergie thermique. Lorsque les cristaux adjacents chauffent à des températures élevées, autour de 1 000 °C, ils réémettent l'énergie sous forme de lumière, mais uniquement dans la bande que les cellules photovoltaïques peuvent capter et convertir.

Les chercheurs suggèrent qu'une version optimisée de la technologie pourrait un jour dépasser le plafond théorique d'environ 30 % d'efficacité sur les cellules solaires conventionnelles. En principe au moins, la thermophotovoltaïque solaire pourrait atteindre des niveaux supérieurs à 80 %, bien que ce soit encore loin, selon les scientifiques. Mais il y a un autre avantage critique à cette approche. Étant donné que le processus est finalement entraîné par la chaleur, il pourrait continuer à fonctionner même lorsque le soleil se cache derrière les nuages, réduisant ainsi l'intermittence qui reste l'un des principaux inconvénients de l'énergie solaire. Si l'appareil était couplé à un mécanisme de stockage thermique qui pourrait fonctionner à ces températures élevées, il pourrait offrir une énergie solaire continue de jour comme de nuit.

Cellules solaires en pérovskite

Les cellules solaires en pérovskite sont bon marché, faciles à produire et très efficaces pour absorber la lumière. Un film mince du matériau, une classe de composés organiques et inorganiques hybrides avec un type particulier de structure cristalline, peut capter autant de lumière qu'une couche relativement épaisse du silicium utilisé dans le photovoltaïque standard.

L'un des défis critiques, cependant, a été la durabilité. Les composés qui absorbent réellement l'énergie solaire ont tendance à se dégrader rapidement, en particulier dans des conditions humides et chaudes.

Mais les groupes de recherche de Stanford, du Los Alamos National Laboratory et du Ecole Polytechnique Fédérale Suisse , entre autres institutions, a fait des progrès considérables dans l'amélioration de la stabilité des cellules solaires à pérovskite cette année, publiant des articles notables dans La nature , Énergie naturelle , et La science .

'Au début de l'année, ils n'étaient tout simplement pas stables pendant de longues périodes', explique Ian Sharp, chercheur au Lawrence Berkeley National Lab. «Mais il y a eu des progrès vraiment impressionnants à cet égard. Cette année, les choses sont vraiment devenues sérieuses.

Pendant ce temps, d'autres chercheurs ont réussi à augmenter l'efficacité de cellules solaires en pérovskite et en identifiant de nouvelles voies prometteuses pour de nouvelles avancées.

Stockage du carbone

La production d'électricité est responsable de la production de 30 % du dioxyde de carbone du pays. La capture de ces émissions à la source est donc essentielle à tout plan de réduction. Cette année a vu des avancées pour plusieurs approches émergentes de capture du carbone dans les centrales électriques, y compris les piles à combustible à carbonate, ainsi qu'au moins certaines implémentations prometteuses de technologies existantes dans le monde réel. (Bien que, pour être sûr, il y ait eu quelques exemples très négatifs également.)

Mais la plupart de ces approches laissent ouverte la question de savoir quoi faire avec les éléments une fois qu'ils ont été capturés avec succès. Et ce n'est pas un petit problème. Le monde produit près de 40 milliards de tonnes de dioxyde de carbone par an.

Une méthode, cependant, semble plus prometteuse qu'on ne le croyait initialement : enterrer le dioxyde de carbone et le transformer en pierre. Depuis 2012, Reykjavik Energy’s Projet CarbFix en Islande a injecté du dioxyde de carbone et de l'eau profondément sous terre, où ils réagissent avec les roches basaltiques volcaniques qui sont abondantes dans la région.

Une analyse publiée dans La science en juin ont découvert que 95% du dioxyde de carbone s'était minéralisé en moins de deux ans, bien plus rapidement que les centaines de milliers d'années que beaucoup avaient prévues. Jusqu'à présent, il ne semble pas non plus laisser échapper de gaz à effet de serre, ce qui suggère qu'il pourrait être à la fois moins cher et plus sûr que les approches d'inhumation existantes.

Mais des recherches supplémentaires seront nécessaires pour voir dans quelle mesure cela fonctionne dans d'autres domaines, notamment sous les fonds marins, selon des observateurs extérieurs.

Dioxyde de carbone en éthanol

Une autre option prometteuse pour le dioxyde de carbone capturé consiste essentiellement à le recycler en carburants utilisables.

Plus tôt cette année, des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du département américain de l'énergie sont tombés sur une méthode pour le convertir en éthanol, le carburant liquide déjà utilisé comme additif dans l'essence. Selon une étude publiée dans Chimie Sélectionner en octobre . Lorsqu'une tension a été appliquée, l'appareil a converti une solution de dioxyde de carbone en éthanol avec un haut niveau d'efficacité. Les matériaux étaient également relativement bon marché et le processus fonctionnait à température ambiante, deux avantages essentiels pour toute commercialisation future.

Nous prenons du dioxyde de carbone, un déchet de la combustion, et nous repoussons cette réaction de combustion en arrière, a déclaré l'auteur principal Adam Rondinone dans un communiqué de presse .

En plus de convertir le dioxyde de carbone capturé, le processus pourrait être utilisé pour stocker l'énergie excédentaire provenant de la production d'électricité éolienne et solaire.

Certains chercheurs extérieurs, cependant, sont sceptiques quant aux premiers résultats et attendent avec impatience de voir si d'autres laboratoires peuvent vérifier les résultats.

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