Partie III

L’énergie solaire et la nanotechnologie, l’énergie du futur 

  Nous vivons à une époque où le coût de l’énergie bat tous les records, le simple fait de vivre coûte cher. Il ne fait plus guère de doutes aujourd’hui que l’utilisation  de l’énergie fossile est devenue une menace imminente pour l’équilibre de notre biosphère.  C’est pourquoi nous cherchons des solutions pour produire une énergie propre et abondante.
  L’énergie solaire est une solution, en effet le soleil émet suffisamment d’énergie en direction de la Terre quotidiennement pour combler tous ses besoins en énergie 10 000 fois. Mais les panneaux solaires actuels sont lourds, coûteux à fabriquer et ne convertissent que 20 % de l’énergie solaire dans le meilleur des cas.
  Grâce à l’apport de la nanotechnologie, on pourrait capturer  les radiations infrarouges avec une efficacité de 80% !
Depuis quelques années, des chercheurs travaillent à mettre au point des panneaux solaires flexibles, a base de nanotechnologie, qui peuvent épouser les formes et le relief de supports divers, voire même peints sur les surfaces. 


I Expérimentation 
 
  

 Des chercheurs de l’Université de Toronto ont inventé un matériau sensible à l’infrarouge qui convertit la lumière du soleil en énergie électrique cinq fois mieux que la technologie conventionnelle. Des scientifiques ont combiné des boîtes quantiques avec un polymère afin de composer un plastique capable de détecter de l’énergie dans les rayons infrarouges. Les boîtes quantiques sont de très petites structures semi-conductrices. Invisible à l’oeil nu, la lumière infrarouge est émise en très faibles quantités par la plupart des télécommandes des appareils tels que les téléviseurs et les lecteurs de DVD. C’est une source d’énergie très peu exploitée.
  Le nouveau matériau composite agit comme une pellicule qui «capte» l’énergie solaire. La pellicule peut être appliquée à n’importe quelle surface, un peu comme la peinture sur un mur. Mais plutôt que d’appliquer une couche de peinture sur un mur, il est plus efficace de transformer le mur en appareil capteur d’infrarouge.
  Non seulement cette innovation fait oublier cette réputation d’inefficacité de l’énergie solaire, mais de plus elle règle la question si agaçante de la recharge des appareils sans fil et ouvre la voie à un monde réellement «sans fil».
   

II Des panneaux solaires révolutionnaires à base de nano particules   

La compagnie Nanosolar prévoit de produire des panneaux solaires en masse en 2008 à base de nano particules. Les nanotechnologies sont capables de fournir pour un prix très réduit de l’électricité solaire sans avoir recours au silicium

1) Des panneaux photovoltaïques classiques 

Traditionnellement, les cellules photovoltaïques sont constituées de semi-conducteurs à base de silicium , de sulfure de cadmium ou de tellurure de cadmium . Les panneaux photovoltaïques transforment l’énergie lumineuse en énergie électrique. La première génération de ces panneaux était fabriquée à base de silicium, un matériau dispendieux dont une grande partie était gaspillé lors du procédé de fabrication, entraînant un coût des panneaux de trois dollars par watt . C’est-à-dire trois fois plus que le coût de l’électricité produite avec des centrales au charbon, donc peu intéressant, entre autre, pour les pays en voie de développement. De plus, comme les panneaux au silicium sont lourds et fragiles, ils sont coûteux à expédier. Une deuxième génération de panneaux a été fabriquée avec la technologie des couches minces, pour donner des produits plus légers mais très complexes à fabriquer puisque le dépôt des couches successives de matériaux exige des chambres sous vide. 

2) Films souples de CIGS   

Le secret de la réussite du procédé Nanosolar réside dans la répartition de chacun des quatre éléments CIGS dans l’encre. Celle-ci devenant la couche sensible qui transforme l’énergie des photons en énergie électrique. Les panneaux de Nanosolar peuvent produire de 5 à 10 fois plus d’énergie électrique que les panneaux classiques et visent une baisse de 90% des prix de vente. De plus, elle permet de fabriquer des films 200 à 300 fois plus minces que ceux qui sont utilisés dans les cellules traditionnelles au silicium.
   Mais ce n’est pas tout, car la devise (déposée) de Nanosolar « Poser un panneau solaire sur chaque immeuble » pourrait se traduire par des applications révolutionnaires. En effet, la minceur et la souplesse du support permettent d’épouser toutes les formes architecturales et pourraient, à terme, servir de « peau » aux toits des grands immeubles de bureaux et des centres commerciaux pour les alimenter en énergie 
  

3) Vers des maisons indépendantes en énergies !   

Nanosolar a construit à San José en Californie une usine dont l’objectif est de produire 200 Millions de cellule solaire par an, pour une puissance cumulée de 430 mégawatts (qui pourrait alimenter 300 000 habitations), soit plus que a capacité de toutes les autre usines américaines de panneaux solaires réunies. La société a été retenue par le Secrétariat à l’énergie américain, qui lui a alloué 20 des 168 millions de dollars investis par le Gouvernement dans le solaire d’ici 2009. Le 18 décembre 2007, Nanosolar a livré ses premiers panneaux photovoltaïques en Allemagne.
  L’entreprise mise sur la baisse des prix des panneaux solaires qui devraient susciter une forte croissance de la demande en cette période de hausse des prix des énergies fossiles. Dans les pays africains, mais aussi en Chine, en Inde, et dans la plupart des pays au climat très ensoleillé, il sera désormais beaucoup plus économique de produire l’électricité avec des panneaux solaires plutôt qu’en brûlant du charbon. A la limite, chaque maison pourrait même être quasi-indépendante et ne plus être reliée au réseau électrique ! 


III La nanotechnologie sauvera-t-elle la planète ?     

La compagnie Nanosolar, a mis en place un procédé novateur issu de la nanotechnologie qui a permis de fortement rentabiliser la production, une rentabilité qui aura pour conséquence de faire baisser le prix du kWh solaire. Cette percée est un signe révélateur du potentiel industriel des nanotechnologies dans le domaine énergétique, il préfigure probablement une nouvelle ère pour notre gestion de l’énergie.  1) Des énergies encombrantes      

On a beaucoup parlé ces derniers temps d’améliorer puis de multiplier les centrales nucléaires classiques, mais leurs coûts en terme de maintenance, de gestion des déchets, de démantèlement et de risques limite fortement leur prolifération. Plus accessibles sont les petites unités de productions d’énergie renouvelable comme les parcs éoliens ou les fours solaires, mais le nombre considérable de ces petites unités qu’il serait nécessaire de construire est exorbitant (sans doute plus de dix mille, rien qu’en France), ce qui est difficilement gérable et fort coûteux en espace et en matériaux de fabrication.  2) Une révolution technologique  

En fait, la révolution technologique la plus prometteuse dans un futur proche n’appartient pas au domaine des grosses ou moyennes structures mais plus probablement à celui des nano structures. La nanotechnologie connaît en effet une telle progression qu’elle pourrait bien aboutir prochainement à des microcomposants (utilisables en quantités astronomiques) capables de produire et de stocker l’énergie solaire aussi efficacement que des cellules biologiques spécialisées. L’utilisation des nano structures permettrait ainsi une grande flexibilité et une grande économie de matériaux car une simple couche d’un micromètre d’éléments actifs est en principe suffisante. Avec son projet d’usine, la compagnie Nanosolar montre qu’il est désormais tout à fait possible de trouver, dans ce domaine, des solutions technologiques associant performance et coût de production, dès lors le marché des cellules photovoltaïques pourrait bien connaître prochainement une explosion semblable à celle qui secoua en son temps la micro-informatique.
  Vers quoi pourrait nous mener cette révolution ? Si le nombre d’unités individuelles de production d’électricité solaire parvient un jour à égaler ou à dépasser celui des micro-ordinateurs, et si nous trouvons des solutions viables pour le stockage de cette énergie, on pourrait s’acheminer vers une transformation complète de notre gestion énergétique : d’une part notre consommation sera à 100% électrique, et d’autre part notre réseau passera d’un système centralisé vers un système décentralisé, c’est-à-dire qu’à l’instar de l’information aujourd’hui, l’électricité pourra s’échanger et se réguler via un réseau électrique de type Internet. 
Mais avant d’en arriver là, de nombreux progrès restent encore à faire. Pour y parvenir, rien de tel qu’une recherche dynamique et inventive comme celle qui anime actuellement le petit monde de la nanotechnologie.
3) Consommation énergétique en France    

Prenons les chiffres de la consommation énergétique totale d’un pays développé comme la France : 
-
Energie primaire totale utilisée (secteur énergétique compris) : 135 kWh/jour par habitant
-Consommation finale énergétique (hors secteur énergétique) : 80 kWh/jour par habitant   
 
La différence vient essentiellement du très faible rendement des centrales électriques. Avec une énergie renouvelable comme le soleil, des véhicules électriques et une meilleure isolation des bâtiments, il serait théoriquement possible de diviser par deux l’énergie totale consommée en France, passant de 80 kWh/jour par habitant à seulement 40 kWh/jour par habitant.              
  
  
L’ensoleillement moyen en France est de 4 kWh/m2 par jour (de 2 à 7 kWh/m2 dans le monde), il suffit donc, toujours en théorie, que chaque être humain réserve une surface d’au moins 10 m2 pour collecter l’énergie solaire. Dans la pratique la rentabilité des futurs panneaux solaires n’excédera probablement pas les 50% (il est actuellement de 36% dans les laboratoires), ce qui implique une surface d’au moins 20m2 par personne. Il se trouve que cette surface est du même ordre de grandeur que la surface de toiture par habitant (l’inverse de la densité d’une ville comme Paris donne 50m2 par habitant, soit environ 20m2 de toiture en tenant compte de la voirie). Quantitativement parlant, cette perspective n’est donc pas une utopie.    

4) Un profond changement    

Reste que pour qu’une telle entreprise réussisse, il sera nécessaire de moderniser profondément l’industrie du bâtiment : elle devra notamment s’adapter pour intégrer complètement les nouveaux matériaux dans ses structures, que ce soit dans le domaine de la production d’électricité photovoltaïque (tuiles, vitrage, peinture…) ou dans celui du stockage (pile à combustible ou super condensateurs intégrés dans les murs et les planchers des bâtiments).   Si la quantité d’énergie ainsi collectée n’est toujours pas suffisante, et dans l’hypothèse qu’on aboutisse effectivement un jour à des matériaux photovoltaïques aussi malléables qu’une peinture, il faudrait étendre cette initiative à toutes les infrastructures de la voirie et, à la limite, pourquoi ne pas imaginer l’asphalte photovoltaïque ? Les routes de France représentent une surface de l’ordre de 4 milliards de m2, en termes d’énergie solaire cela représente en pratique plus de 150kWh/jour et par habitant, soit plus de trois fois nos besoins énergétiques… De plus un tel système ferait d’une pierre deux coups puisque le réseau électrique et le réseau routier se confondraient.

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