La planète a besoin de ses Louis Pasteur de la transition énergétique !

Une économie globale s’alimentant uniquement d’énergies renouvelables… Voilà le grand défi qui attend notre planète ! Un article du Dr. Maximilian Martin.

En 2015, la Conférence des Nations unies sur le changement climatique (COP21 – Paris) aura pour mission de faire émerger un accord contraignant et universel sur le climat. Pour autant, même en cas d’avancée majeure à Paris, l’évolution du mix énergétique planétaire vers le 100% durable restera compliquée dans un monde inondé par le pétrole et le gaz à bas prix. Dès lors, comment concevoir des solutions décisives et les déployer à grande échelle ?

Jusqu’à présent, les émissions de CO2 ont historiquement toujours augmenté de façon intensive. Les seules diminutions majeures ont eu lieu à la fin de la Guerre Froide - lorsque la production industrielle d’Europe de l’Est s’est soudainement effondrée - puis lors de la crise financière mondiale. Malgré ces émissions en hausse, la demande d’énergie insatisfaite reste néanmoins immense : près d’1,3 milliard de personnes n’ont pas du tout accès à l’électricité et 2,7 milliards de personnes dépendent encore de la biomasse pour cuisiner. Si on se base sur la consommation courante actuelle, nous sommes en bonne voie d’atteindre, d’ici 2035, le chiffre exorbitant de 45 gigatonnes d’émissions de CO2 annuelles liées à l’énergie.

La France en première ligne sur le climat

Récemment, la France a confirmé sa volonté d’être un leader mondial de l’énergie propre avec son projet de loi relatif à la Transition énergétique pour la croissance verte qui prévoit une réduction de 40% des émissions de GES d’ici 2030. Une performance obtenue en diminuant la consommation totale d’énergie de moitié d’ici 2050 (base 2012), en augmentant de 32% la part d’énergie renouvelable dans la consommation totale d’énergie jusqu’à 2030 et enfin en réduisant de 50% la part du nucléaire dans la production d’énergie d’ici 2025. Pour devenir réalité, ces objectifs nécessiteront d’être soutenues par des innovations technologiques de pointe.

La nécessaire compétitivité des énergies renouvelables

Alors que nous sommes sur le point de commencer une nouvelle année, prenons un bonne résolution : soyons honnêtes ! Si nous voulons vraiment développer largement les énergies renouvelables, celles-ci devront rapidement offrir des prix véritablement compétitifs et donc devenir substituables aux énergies fossiles. Autrement dit, les énergies renouvelables devront  produire de l’électricité pour seulement quelques centimes par kilowattheure, les panneaux solaires devraient idéalement être capables de capturer de l’énergie durant la nuit, et les solutions de stockage devront pouvoir concurrencer les carburants en termes de densité ou de capacité à délivrer de l’énergie.

Faire émerger de nouvelles solutions technologiques

Douce utopie ? Certainement pas. La science peut en effet permettre d’atteindre de tels progrès. Rappelons combien la pasteurisation a transformé les industries laitières et alimentaires au 19ème siècle. Et puisque le sommet COP21 aura lieu à Paris, n’oublions pas que les inventeurs français ont largement contribué aux fondements de l’énergie renouvelable. Lavoisier a découvert l’hydrogène, Ampère l’électromagnétisme classique et Becquerel l’effet photovoltaïque. Il est temps de faire émerger une nouvelle génération de solutions et ainsi appliquer les avancées nouvelles dans des domaines tels que les sciences des matériaux, la nanotechnologie, ou l’ingénierie. Pour se convaincre, il suffit de regarder l’amélioration de l’efficacité des cellules solaires au cours des 40 dernières années (voir schéma 1).

Schéma 1: Amélioration du rendement des cellules photovoltaïques, 1975-2012 (Source : NREL) - Cliquer pour agrandir

Photovoltaïque, éolien, stockage : de nouvelles pistes de recherche

Dès aujourd’hui, des cellules multi-jonctions atteignent déjà un rendement de conversion de 44,7%. Et la croissance rapide de la courbe de rendement des pérovskites - une nouvelle classe de matériaux composée d’une structure cristalline particulière - est passionnante. Leur largeur de bande peut en effet être ajustée en fonction de la teneur variable en halogénure et ainsi devenir de très bons absorbeurs de lumière sur tout le spectre solaire visible. Ainsi, la charge d’absorption augmente et, avec elle, la production d’électricité.

Ce n’est pas tout. Vous souvenez-vous du « solex agitator » dans le film de James Bond L’Homme au pistolet d’or qui est sorti juste après la première crise du pétrole ? En utilisant des antennes correctrices (ou « rectennas »), on peut déjà convertir la radiation électromagnétique en électricité. Avec une efficacité constatée de plus de 90% dans le domaine des micro-ondes !

Autre piste de recherche : la physique prévoit qu’il est aussi possible d’atteindre ce type de rendements dans le domaine des infrarouges et de l’optique. Et ce, en transformant la lumière naturelle en électricité. On imagine alors facilement les promesses économiques d’un tel procédé qui permettrait d’exploiter un vaste spectre lumineux durant la journée mais aussi d’exploiter les infrarouges la nuit.

L’énergie photovoltaïque n’est pas la seule à disposer d’un important potentiel d’amélioration. Par exemple, en profitant des principes de la bionique concernant les coulisses oiseauxles éoliennes pourraient être systématiquement couvertes. Elles résisteraient ainsi mieux aux turbulences et pourraient donc produire de l’énergie même par vent calme. Enfin, dans le domaine du stockage, de nouvelles combinaisons – comme l’association du lithium et du soufre - offrent la possibilité d’augmenter de façon significative la densité énergétique des batteries et de diminuer leur coût (voir schéma 2).

Schéma 2: Roadmap des technologies de batteries (Source: Gopalakrishnan et al.) - Cliquer pour agrandir

Accélérer le rythme d’innovation

Plus de 100 ans se sont écoulés entre la découverte de l’effet photovoltaïque par Becquerel en 1839 et la production de la première cellule solaire en silicium. Alors que la France se prépare à accueillir COP21 à Paris, nous devons aujourd’hui accélérer le rythme de l’innovation. Dans cette optique, le Projet Exergeia soutient des inventions et des innovations potentiellement révolutionnaires dans tous les domaines de l’énergie propre : l’efficacité énergétique, production, stockage, transmission et distribution.

Et pas question de dénigrer les approches non-conventionnelles ! On sait désormais que l’innovation naît parfois de façon accidentelle (et même pendant les vacances). Prenez Sir Alexander Fleming, un successeur britannique de l’emblématique père fondateur français de la microbiologie : Louis Pasteur. Alors qu’il cherchait des agents antibactériens depuis 10 ans, il a découvert la pénicilline en 1928. Il avait laissé son laboratoire en désordre pour partir en vacances avec sa famille. Alors qu’il était en congés, une culture de staphylocoques s’est retrouvée contaminée par un champignon et a détruit les autres cultures qui l’entouraient. Fleming a eu assez d’ouverture d’esprit pour se rendre compte de l’extraordinaire découverte.

La France se targue de disposer d’une impressionnante communauté de scientifiques. Il importe maintenant de réaliser la transition énergétique ! M. et Mme Pasteur, si vous travaillez sur quelque chose qui a le potentiel de devenir la prochaine machine à vapeur, ou le prochain Internet pour l’économie renouvelable… S’il vous plaît, jetez un œil sur votre laboratoire à votre retour de vacances !

A propos de l’auteur…

Maximilian Martin, Ph.D. est le fondateur et Directeur général d’Impact Economy, une entreprise d’investissement et de stratégie basée à Lausanne (Suisse) et mène le Projet Exergeia.

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