Un appareil capable de convertir l’énergie solaire en électricité “à la demande”

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En 2017, des chercheurs de l’Université de technologie de Chalmers en Suède ont présenté un système innovant de stockage de l’énergie solaire sous forme liquide. Cette technologie, appelée MOST (Systèmes moléculaires de stockage d’énergie solaire thermique), est basé sur une molécule spécialement conçue capable de changer de forme lorsqu’elle est exposée à la lumière du soleil. L’énergie peut ainsi être stockée pendant 18 ans ! Les scientifiques à l’origine du concept montrent maintenant que leur technologie peut également être utilisée pour générer de l’électricité.

La technologie MOST est un système énergétique fermé basé sur une molécule composée de carbone, d’hydrogène et d’azote, spécialement conçue pour se transformer lorsqu’elle est exposée au soleil : elle adopte alors une conformation différente (les atomes se réarrangent) particulièrement riche en énergie. Cet isomère peut être stocké sous forme liquide pour une utilisation ultérieure en cas de besoin (la nuit ou l’hiver par exemple). Un catalyseur libère l’énergie stockée sous forme de chaleur tout en redonnant à la molécule sa forme d’origine ; il peut ensuite être réutilisé de la même manière.

Les chercheurs sont parvenus à affiner leur système pour atteindre des performances exceptionnelles : l’énergie peut ainsi être stockée pendant 18 ans. En collaboration avec des chercheurs de l’université Jiao Tong de Shanghai, ils montrent que leur système de stockage peut également être combiné à un générateur thermoélectrique pour produire de l’électricité “à la demande”. ” Cela signifie que nous pouvons utiliser l’énergie solaire pour produire de l’électricité indépendamment de la météo, de l’heure de la journée, de la saison ou de l’emplacement géographique. », souligne le directeur de recherche Kasper Moth-PoulsenProfesseur au Département de chimie et de génie chimique de l’Université de Chalmers.

Mieux utiliser l’énergie solaire

Le générateur en question est une puce ultra-mince, qui pourrait être intégrée dans des appareils électroniques portables tels que des écouteurs, des montres intelligentes et des téléphones. Ce système énergétique est non seulement intéressant en termes d’autonomie – l’équipement peut potentiellement être auto-rechargeable – mais il est également exempt d’émissions nocives. ” C’est un système fermé qui peut fonctionner sans provoquer d’émissions de dioxyde de carbone. dit Moth-Poulsen.

Cette technologie s’inscrit directement dans la recherche de solutions énergétiques pour stopper ou limiter l’augmentation de la température globale. La consommation totale d’énergie dans le monde, tous secteurs confondus, est estimée à 21 TWy (térawatt-années), d’ici 2040. Aujourd’hui, 85 % de l’électricité produite est issue d’énergies fossiles, il est donc urgent de trouver des sources d’énergie qui émettent moins de gaz à effet de serre.

L’énergie nucléaire est une source d’énergie à faible émission de carbone, mais elle nécessite des installations complexes et coûteuses. L’énergie hydroélectrique est limitée géographiquement, tout comme les systèmes solaires et éoliens, dont la production fluctue également en fonction de la saison ou de l’heure de la journée. L’énergie solaire est la ressource énergétique la plus abondante sur Terre, et donc l’optimisation de son utilisation peut potentiellement répondre à la demande intensive et croissante d’énergie tout en réduisant les effets néfastes sur l’environnement, notent les chercheurs. ” Par exemple, on estime que 2,3 × 104 TWy d’énergie solaire atteint la Terre chaque année, ce qui équivaut à seulement 7 heures d’ensoleillement nécessaires pour répondre aux besoins énergétiques mondiaux annuels actuels dit l’équipe.

Les cellules photovoltaïques actuelles permettent de convertir directement l’énergie solaire en énergie électrique avec un rendement maximum d’environ 30 % ; la majeure partie de l’énergie solaire est perdue sous forme de chaleur. Il apparaît donc nécessaire de développer des technologies permettant de mieux capter et stocker l’énergie solaire (notamment la chaleur, aujourd’hui peu utilisée). Le dispositif développé par les chercheurs répond à ce besoin.

Une première production continue d’électricité

Le système se compose de matériaux capables d’exploiter la lumière du soleil par des réactions photochimiques réversibles. ” Il a été précédemment estimé que pour un dispositif MOST liquide idéal, jusqu’à 21% de l’énergie solaire peut être stockée sous forme d’énergie chimique pour une génération de chaleur ultérieure. », précisent les chercheurs. L’avantage du générateur thermoélectrique utilisé pour générer de l’électricité est que la conversion de la chaleur est directe, alors que dans les systèmes traditionnels la conversion se fait en deux étapes, de la chaleur à l’énergie mécanique puis à l’énergie électrique.

Taux de conversion de l’appareil basé sur la forme liquide du MOST (un dérivé du norbornadiène, désigné NBD), en fonction du temps de séjour dans l’appareil. © Z.Wang et al.

Veuillez noter que les systèmes MOST peuvent fonctionner à la fois sous forme liquide et sous forme de film. Sous forme liquide, l’énergie peut être transportée, donc stockée et restituée à deux endroits différents ; Sous forme de film, les systèmes peuvent être utilisés pour la conception de fenêtres intelligentes, par exemple, entre autres applications. Dans le cadre de leur étude, les chercheurs ont testé leur système sous ses deux formes, ainsi qu’un générateur thermoélectrique ultra-mince de quelques micromètres d’épaisseur. Tous deux ont pu stocker l’énergie solaire pendant plus d’un mois à température ambiante.

L’équipe rapporte une puissance de sortie allant jusqu’à 0,1 nW (jusqu’à 1,3 W/m³) pour la preuve de concept, ce qui est relativement faible. Mais pour la première fois, l’appareil a généré de l’électricité en continu pendant plus de 25 minutes. “ Jusqu’à présent, nous n’avons produit que de petites quantités d’électricité, mais les nouveaux résultats montrent que le concept fonctionne vraiment. semble très prometteur a déclaré Zhihang Wang, chercheur à l’Université Chalmers et premier auteur de l’étude montrant l’appareil.

Si la technologie est très prometteuse, elle n’est pas prête pour alimenter nos appareils électroniques ou chauffer nos maisons ! Évidemment, la quantité de chaleur ou d’électricité produite par le système MOST doit être adaptée aux besoins. Il faut donc réfléchir à comment développer le dispositif à plus grande échelle et à moindre coût pour rentabiliser la technologie.

La source : Z. Wang et al., Cell Reports Sciences physiques

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