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Prier pour un miracle énergétique
La percée de l'entreprise est strictement interdite aux étrangers. Le travail sur la technologie se poursuit dans une partie invisible du bâtiment tentaculaire d'un étage, au-delà de l'atelier d'usinage, des divers instruments d'essai et de fabrication, le grand espace de bureau ouvert rempli de cabines. Ce qu'un visiteur peut voir à la place, c'est une fine plaquette de silicium qui serait familière à n'importe qui dans l'industrie de l'énergie solaire. Et c'est exactement le but. L'avancée de l'entreprise consiste à réduire les dépenses de fabrication de cellules solaires conventionnelles.
Sauveur de silicium : Emanuel Sachs, fondateur de la startup solaire 1366, a inventé un moyen moins coûteux de transformer des morceaux de silicium en plaques minces utilisées dans les cellules photovoltaïques.
Dans sa salle de conférence se trouve un grand graphique montrant la baisse du coût de l'électricité produite par les panneaux solaires au cours des trois dernières décennies. La ligne en pente descendante légèrement bosselée s'approche d'une large bande horizontale étiquetée parité du réseau - le stade auquel l'électricité produite à l'aide de l'énergie solaire sera aussi bon marché que l'électricité produite à partir de combustibles fossiles. C'est la terre promise pour l'énergie renouvelable, et la société, 1366 Technologies, pense que ses améliorations dans les techniques de fabrication peuvent aider à permettre à l'énergie solaire d'y arriver enfin.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2011
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C'est un objectif ambitieux : même si les cellules photovoltaïques à base de silicium, qui convertissent directement la lumière du soleil en électricité, baissent de prix depuis des années, elles restent trop chères pour concurrencer les combustibles fossiles. En conséquence, l'énergie solaire représente bien moins de 1% de la production d'électricité aux États-Unis. Et le fondateur de 1366, Emanuel Sachs, qui est le directeur de la technologie de l'entreprise et professeur de génie mécanique au MIT, a déclaré que même si l'énergie solaire pouvait être à une distance frappante du gaz naturel, la technologie solaire existante ne pourra pas rivaliser avec le charbon. Pour remplacer le charbon, il faudra un autre niveau de réduction des coûts, dit Sachs. C'est là qu'intervient la percée de 1366. L'entreprise développe un moyen de fabriquer de fines feuilles de silicium sans les découper à partir de morceaux solides de l'élément, une corvée coûteuse. La seule façon pour le photovoltaïque de concurrencer le charbon est avec des technologies comme la nôtre, dit-il.
Une fois que le photovoltaïque peut concurrencer le charbon en termes de prix, le monde change énormément, déclare Frank van Mierlo, PDG de l'entreprise. Le solaire deviendra une véritable partie de notre approvisionnement énergétique. Nous pouvons alors générer une partie importante de notre énergie à partir du soleil.
À bien des égards, 1366 (le nom fait référence au nombre moyen de watts d'énergie solaire qui frappe chaque mètre carré de la Terre sur une année) reflète l'ambition de toute une génération de startups énergétiques. Ces entreprises font souvent référence à des technologies révolutionnaires qui redéfiniront l'économie des sources d'énergie non fossiles. Beaucoup ont été fondées au cours de la dernière décennie, lors d'un boom du financement par capital-risque pour les technologies propres, non seulement dans le solaire mais aussi dans l'éolien, les biocarburants et les batteries. Beaucoup ont bénéficié de l'augmentation du soutien fédéral à la recherche énergétique depuis que le président Obama a pris ses fonctions. Bien que les entreprises travaillent sur des technologies différentes, elles partagent une stratégie commerciale : rendre les sources d'énergie propres suffisamment bon marché, sans aucune subvention gouvernementale, pour concurrencer les combustibles fossiles. À ce stade, le capitalisme passera à la vitesse supérieure et les investisseurs se précipiteront pour construire une nouvelle infrastructure énergétique et remplacer les combustibles fossiles - c'est du moins ce que l'on dit.
Le problème, cependant, est que nous ne sommes probablement pas à quelques avancées du déploiement à grande échelle de sources d'énergie moins chères et plus propres. Bien que peu de gens remettent en question la valeur du développement de nouvelles technologies énergétiques, leur mise à l'échelle sera si difficile et coûteuse que de nombreux experts politiques affirment que de telles avancées à elles seules, sans l'aide de subventions gouvernementales continues et d'autres incitations, auront peu d'impact sur notre bouquet énergétique. Indépendamment des avancées technologiques, ces experts sont sceptiques quant au fait que les énergies renouvelables sont proches d'atteindre la parité réseau, ou que les batteries sont sur le point de permettre à un véhicule électrique de concurrencer les voitures à essence en termes de prix et d'autonomie.
Dans le cas des énergies renouvelables, cela dépend de la façon dont vous définissez la parité réseau et si vous tenez compte des coûts des systèmes de stockage et d'alimentation de secours qui deviennent nécessaires avec des sources d'énergie intermittentes comme l'énergie solaire et éolienne. Si vous définissez la parité du réseau comme la fourniture d'électricité quand vous le souhaitez, dans les volumes que vous souhaitez, explique David Victor, directeur du Laboratoire de droit international et de réglementation de l'Université de Californie à San Diego, alors les nouvelles énergies renouvelables d'aujourd'hui ne sont même pas proches. . Et si les nouvelles technologies énergétiques se développent suffisamment pour réduire les émissions de dioxyde de carbone, ajoute-t-il, c'est la définition qui compte.
Champ de miroirs
Peu de gens ont plus confiance que Bill Gross dans le pouvoir de la technologie pour changer le monde. Et peu d'entrepreneurs sont aussi familiers avec la difficulté de transformer des idées intelligentes en technologies commerciales. À l'ère des dot-com, lui et sa société Idealab, un incubateur qui crée et gère de nouvelles entreprises, ont lancé plusieurs des entreprises les plus en vogue de l'époque, pour se débattre lorsque la bulle a éclaté.
Gross s'est accroché à l'engouement pour les technologies propres, en fondant une société appelée eSolar en 2007 pour travailler sur la technologie solaire thermique (voir Q&R , mars/avril 2010) . De nos jours, les projets Web, d'informatique sociale et énergétiques sont entremêlés dans les bureaux très bondés d'Idealab au centre-ville de Pasadena, en Californie. Fidèle à son héritage de l'ère dot-com, les bureaux occupent un grand espace semblable à un loft rempli de diverses sociétés ou sociétés en devenir, certaines d'entre elles ne comprenant que quelques bureaux dominés par de grands écrans d'ordinateur. Quelque part dans tout le métal brossé, les systèmes de ventilation exposés, l'éclairage sur rail et les chaises de bureau design se trouve le bureau de Bill Gross, une petite cabine vitrée.
Comme presque tous les autres fondateurs d'une startup d'énergie renouvelable, Gross va droit aux chiffres. Tirant un écran qui compare les coûts de l'énergie provenant de diverses sources, il souligne comment une technologie développée par eSolar pourrait rendre l'énergie solaire thermique moins chère et l'aider à devenir compétitive par rapport aux combustibles fossiles. Les centrales solaires thermiques produisent de l'électricité en utilisant un immense champ de miroirs pour concentrer la lumière du soleil sur une grande tour centrale, où l'eau est chauffée pour produire de la vapeur qui génère de l'électricité. Les grandes centrales électriques utilisant cette technologie peuvent produire de l'électricité à moindre coût que celles utilisant des panneaux solaires au silicium, bien que l'approche thermique soit toujours plus chère que l'énergie dérivée du charbon ou même du vent. Plusieurs usines de ce type fonctionnent dans le monde et d'autres sont en cours de construction (voir Chasing the Sun , juillet/août 2009) . En 2006, lorsque le géant californien PG&E a lancé une offre pour une centrale solaire thermique de 300 mégawatts (en cours de construction par une société appelée BrightSource), Gross s'est enthousiasmé et a commencé à travailler avec ses employés pour améliorer la rentabilité.
Sans surprise, la solution de Gross est basée sur un logiciel. Les grandes centrales solaires thermiques coûtent plus d'un milliard de dollars à construire, et l'une des raisons de leur coût élevé est que des dizaines de milliers de miroirs spécialement fabriqués doivent être disposés avec précision afin qu'ils concentrent correctement la lumière du soleil. Mais que se passe-t-il si vous utilisez des miroirs simples sur un simple support métallique, puis utilisez un logiciel pour les calibrer, en ajustant chacun pour optimiser sa position par rapport au soleil et à la tour centrale ? Il faudrait d'énormes quantités de puissance de calcul pour manipuler tous les miroirs d'une centrale électrique à grande échelle, mais la puissance de calcul est bon marché, bien moins chère que de payer des ingénieurs et des techniciens pour positionner laborieusement les miroirs à la main. Les économies potentielles sont impressionnantes, selon Gross ; il dit qu'eSolar peut installer un champ de miroirs pour la moitié de ce qu'il en coûte dans d'autres installations solaires thermiques. En conséquence, il s'attend à produire de l'électricité pour environ 11 cents le kilowattheure, ce qui est très proche du prix de l'électricité d'une centrale à combustible fossile.
Pourtant, ce n'est pas assez bon, du moins aux États-Unis, où les centrales au gaz naturel peuvent produire de l'électricité pour environ 6 cents le kilowattheure. À Lancaster, en Californie, au bord du désert de Mojave, eSolar a construit une installation avec 24 000 miroirs ; il est capable de produire cinq mégawatts de puissance. Mais eSolar n'a obtenu aucun nouvel accord pour construire des projets à grande échelle basés sur la technologie de l'entreprise aux États-Unis. Au lieu de cela, il fait des affaires dans des régions du monde où les prix de l'électricité sont plus élevés ou les subventions pour les énergies renouvelables sont plus importantes ; il construit une centrale de 2,5 mégawatts en Inde et a signé un accord pour une grande installation en Chine. Le problème aux États-Unis est le même pour tous les rêves d'énergie alternative : le coût. Les prix du gaz naturel sont tombés à des niveaux historiquement bas, ce qui signifie que le solaire thermique doit devenir encore moins cher pour être compétitif. Pour avoir une chance aux États-Unis, reconnaît Gross, eSolar a besoin que son électricité ne coûte pas plus de 7,5 cents le kilowattheure.
Pour y arriver, il faudra encore une autre avancée technologique. L'un des inconvénients de l'énergie solaire est qu'elle ne produit de l'électricité que pendant une partie de la journée. Les panneaux photovoltaïques produisent efficacement de l'électricité pendant environ cinq heures et demie par jour, lorsque le soleil est le plus directement au-dessus de la tête. Les systèmes solaires thermiques peuvent fonctionner un peu plus longtemps, car l'eau chauffée peut entraîner des turbines plus tard dans l'après-midi ; La technologie d'eSolar fournit de l'énergie pendant environ sept heures par jour sans stockage. Et Gross dit que l'utilisation de sels fondus au lieu d'eau pour transporter la chaleur de la tour centrale au générateur de vapeur permettra à une installation solaire thermique de stocker la chaleur beaucoup plus longtemps et de produire de l'électricité jusqu'à 16 heures par jour. Cela réduira le coût de son électricité à l'objectif de 7,5 cents le kilowattheure. Il prédit qu'eSolar aura une usine commerciale avec la conception de sel fondu en marche l'année prochaine.
Si les poteaux de but continuent de bouger juste au-delà de la portée des nouvelles technologies énergétiques, Gross ne semble pas déconcerté. Finalement, dit-il, la technologie d'eSolar n'aura pas besoin de subventions pour concurrencer le gaz naturel, et le ciel sera la limite. Le solaire est parfait pour une immense partie de la planète, dit-il, montrant joyeusement une carte du monde avec une grande ceinture autour du milieu en rouge et orange foncé, indiquant des niveaux élevés de rayonnement solaire. Même dans ce pays, dit Gross avec confiance, l'énergie solaire représentera la moitié de toute la production d'électricité d'ici 2050, avec au moins 50 pour cent de celle produite par les centrales solaires thermiques.
Pas de bogues
Alors que Bill Gross essaie de retirer quelques centimes critiques du coût de l'énergie solaire, les chercheurs de Caltech, à quelques kilomètres de là, travaillent sur une solution différente. Ils essaient d'inventer une façon fondamentalement nouvelle de produire des combustibles liquides directement à partir de la lumière du soleil, inspirée de la façon dont les plantes vertes convertissent la lumière du soleil en sucres. Si cette quête de photosynthèse artificielle réussit, elle répondra à l'un des défis fondamentaux de l'énergie solaire : comment stocker l'énergie jusqu'à ce qu'elle soit nécessaire. Le potentiel de cette vision semble animer le directeur de l'effort, Nate Lewis. Il parle parfois de puces rythmées par un mélange d'excitation et d'impatience. Pas de bugs, pas de fils, dit-il. Pas de bugs, pas de fils. Je veux dire ce que je dis : pas de fils. Les feuilles n'ont pas de fils. La lumière du soleil, l'eau et le CO2 entrent en jeu et les carburants en sortent.
Mirage solaire ? Une installation de démonstration eSolar à Lancaster, en Californie, utilise 24 000 miroirs et peut produire cinq mégawatts d'électricité. Mais eSolar n'a pas d'accords aux États-Unis pour des usines similaires.
Cette recherche, un projet conjoint de Caltech et du Lawrence Berkeley National Lab, sera financée à hauteur de 122 millions de dollars sur cinq ans par le département américain de l'Énergie, en attendant l'affectation des fonds par le Congrès. Nous avons des morceaux. Fabriquer des carburants à partir de la lumière du soleil avec des travaux de chimie photoélectrique, explique Lewis, professeur de chimie à Caltech. Mais un appareil pratique doit être bon marché, efficace et robuste. Pour le moment, je peux vous en donner deux en même temps, dit-il. Notre objectif est les trois. Des problèmes scientifiques fondamentaux font obstacle. Parmi eux : les chercheurs doivent trouver des catalyseurs rentables pour les réactions chimiques qui décomposent l'eau en oxygène et en hydrogène.
Après 100 ans de recherche, vous pouvez compter d'un côté sur les classes de composés qui sont de bons catalyseurs pour l'oxydation de l'eau, dit Lewis ; nous n'avons pas encore cent ans pour en trouver de meilleurs. En utilisant le type de méthodes expérimentales à haut débit et de techniques automatisées de plus en plus utilisées dans la découverte de médicaments, le centre criblera un million de composés par jour pour leur activité catalytique. Nous évaluerons, découvrirons et quantifierons l'activité de plus de catalyseurs en une journée que ce qui a été collectivement documenté à travers l'histoire, dit-il.
Pendant ce temps, une équipe de concepteurs de systèmes et d'experts en matériel commencera à concevoir et à construire des prototypes de dispositifs. Leur travail consiste à construire des prototypes dès le premier jour, dit Lewis. Nous prévoyons d'avoir [les prototypes] dans les deux ou trois premières années. Ces premiers prototypes échoueront presque absolument, dit-il, mais ils sont le seul moyen d'arriver à un système pratique : nous ne savons pas à quoi il devrait ressembler. D'où sort l'eau ? D'où vient la lumière du soleil ? Si vous ne construisez pas la chose, vous ne pouvez pas construire la chose.
Le défi de trouver une énergie moins chère et plus propre a souvent été comparé à la course pour envoyer un homme sur la lune. Mais il y a au moins une différence clé : le succès de l'envoi d'humains dans l'espace n'a pas été jugé en fonction de son coût. Quelle que soit l'intelligence de la technologie de Lewis, elle ne résoudra le problème que si elle peut servir de base à une entreprise durable. Nous n'allons pas la NASA sur la lune, dit Lewis. Si vous ne pouvez pas rivaliser sur les coûts, cela ne vaut finalement pas la peine de le faire. Et, ajoute-t-il, étant donné la fluctuation du prix du pétrole, vous devez avoir quelque chose qui semble vraiment perturbateur en termes de coût : si vous êtes juste proche, ce n'est bon pour personne.
Monde d'austérité
Au cours de la dernière décennie, de nombreux experts énergétiques et économistes américains ont soutenu que le gouvernement doit établir un prix pour les émissions de dioxyde de carbone. Ils disent qu'un prix du carbone—sous la forme d'une taxe ou d'un système de plafonnement et d'échange—serait un moyen économiquement efficace et technologiquement juste de réduire notre utilisation de combustibles fossiles. Cela augmenterait le coût de l'énergie dérivée de ces carburants, permettant aux technologies plus propres de les défier sur le marché sans obliger le gouvernement à soutenir des choix particuliers. L'Union européenne a mis en place un système de plafonnement et d'échange en 2005, mais les États-Unis - jusqu'à récemment le plus grand utilisateur d'énergie au monde et, sans doute, toujours le principal centre d'innovation énergétique - n'ont pas réussi à le faire.
Cela a laissé les experts en politique énergétique débattre de la manière d'aller de l'avant, surtout maintenant que les subventions et autres avantages pour l'énergie propre dans le projet de loi de relance fédéral de 2009 touchent à leur fin. Certains voient une opportunité de se concentrer sur l'invention de nouvelles façons de rendre l'énergie propre moins chère que les combustibles fossiles. Une telle innovation, soutiennent-ils, est le seul moyen de parvenir à des réductions massives de l'utilisation de combustibles fossiles. Le fondateur de Microsoft, Bill Gates, est l'un des investisseurs qui espèrent stimuler de tels miracles énergétiques (voir Q&R , septembre/octobre 2010) .
Les critiques de ce point de vue, cependant, pensent qu'il est plus important de se concentrer sur l'augmentation de l'utilisation des technologies d'énergie propre dès que possible par le biais de subventions gouvernementales et d'autres incitations. Il est dangereux de croire que toutes ces technologies étonnantes viendront et résoudront le problème, déclare Joseph Romm, chercheur principal au Center for American Progress, un groupe de réflexion basé à Washington. La vérité est, dit-il, que les percées ne se produisent pas très souvent.
En fait, la plupart des technologies s'améliorent et deviennent moins chères au fur et à mesure qu'elles sont commercialisées et utilisées, et non en laboratoire. Cela signifie que nous avons besoin à la fois de la recherche sur les nouvelles technologies énergétiques et les politiques gouvernementales qui soutiennent le déploiement, l'utilisation et l'amélioration. Il existe un lien intime entre ces efforts. Jusqu'à ce que vous commenciez le déploiement, vous ne connaissez pas les défis, dit Romm. Tant de bonnes idées se produisent dans le laboratoire mais ne réussissent pas sur le marché. C'est l'aller-retour entre le déploiement et la R&D qui vous permet d'innover rapidement.
L'une des startups énergétiques récentes les plus réussies est A123, une entreprise de batteries basée à Watertown, dans le Massachusetts. A123, qui a fait l'objet d'une offre publique de ses actions en 2009, fabrique des batteries lithium-ion conçues pour être plus sûres et plus durables que les versions plus conventionnelles ; son secret réside dans les électrodes en matériaux composites à l'échelle nanométrique. Remarquablement, l'entreprise est passée des tests en laboratoire de sa technologie à la production commerciale en moins de trois ans. Il a bénéficié d'une forte demande de constructeurs automobiles désespérés pour introduire des véhicules électriques et d'une subvention gouvernementale de 250 millions de dollars pour aider à financer la construction de ses installations de fabrication. (voir Démo) .
Mais il y a trois ans, alors même qu'A123 était encore en train de commercialiser ses produits, le cofondateur Yet-Ming Chiang, un scientifique des matériaux du MIT, était déjà à la recherche de sa prochaine percée. Travaillant d'abord à l'A123, puis avec des collègues du MIT et de l'Université Rutgers, il a entrepris d'inventer une technologie qui serait beaucoup moins chère et plus facile à fabriquer que les batteries au lithium existantes. Il voulait une batterie qui permettrait aux voitures électriques de rouler beaucoup plus loin avec une charge, et qui offrirait un moyen pratique de stocker de l'énergie sur le réseau électrique. La solution : un tout nouveau type de batterie, toujours à base de nanomatériaux.
L'année dernière, A123 a créé 24M, une startup qui testera et, éventuellement, commercialisera la technologie. L'entreprise veut atteindre l'objectif du ministère de l'Énergie de développer des batteries de véhicules électriques qui peuvent fournir de l'énergie pour environ 250 $ par kilowattheure, par opposition à la norme actuelle d'environ 500 $ à 600 $. Le résultat réduirait de moitié le coût d'une batterie pour un véhicule tout électrique. Cela permettrait, selon Chiang, l'adoption généralisée des véhicules électriques.
Même si la dernière création de batterie de Chiang s'avère peu pratique, son invention et la création de 24M illustrent les avantages qui découlent de la commercialisation des technologies énergétiques et de la nature itérative de l'innovation. Les batteries de l'A123 ont aidé à établir un marché sur lequel les nouvelles avancées peuvent rivaliser, et elles ont clarifié les limites de la technologie de première génération. Rien de tout cela ne serait arrivé sans le soutien fédéral. La politique du gouvernement est absolument essentielle, dit Chiang, à la fois pour rechercher de nouvelles technologies de batterie et pour développer celles qui existent déjà.
Bien que certaines technologies énergétiques alternatives puissent éventuellement atteindre la parité réseau, peu, voire aucune, peuvent survivre sans subventions maintenant, car elles améliorent leur coût et leur efficacité. Même avec des subventions, y compris des incitations fiscales et des subventions en espèces, la plupart ont du mal à réduire l'écart de coût avec les combustibles fossiles. Comme le dit Lewis de Caltech, se rapprocher n'est pas suffisant. Le danger est que si nous nous concentrons sur les miracles énergétiques et exagérons le potentiel des technologies de rupture, la nécessité d'une politique gouvernementale cohérente en faveur du changement énergétique sera oubliée. Toutes les technologies énergétiques chéries - essentiellement toutes les énergies renouvelables et tous les véhicules électriques alimentés par le réseau - dépendent d'énormes subventions, explique David Victor de l'UC San Diego. Et personne ne sait vraiment à quoi ressemblera un monde d'austérité fiscale pour ces technologies.
Les options d'énergie propre ont encore un long chemin à parcourir, en particulier lorsqu'il s'agit de stocker l'électricité, de réduire le coût des énergies renouvelables et d'améliorer les performances et le coût des batteries. Des entreprises comme 1366 et eSolar relèvent ces défis. Mais dépendre des seules percées pour résoudre nos problèmes énergétiques est irréaliste. De telles avancées doivent s'inscrire dans le contexte plus large d'un effort coordonné pour déployer ces sources d'énergie. Cela exige des stratégies gouvernementales internationales qui soutiennent non seulement la recherche, mais aussi les tests, la construction et la commercialisation.
Le déploiement d'alternatives énergétiques sera beaucoup plus coûteux et, à certains égards, beaucoup plus difficile que d'en inventer de nouvelles. Compte tenu du climat politique actuel et de l'absence d'une politique énergétique cohérente dans le monde, cela pourrait vraiment prendre un miracle.