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"La récupération de l’énergie du soleil avec la photosynthèse artificielle" par le Dr. Mae-Wan Ho

Traduction et compléments de Jacques Hallard

lundi 29 juin 2009, par Ho Dr Mae-Wan

Energy from Sunlight with Artificial Photosynthesis

Energie Biologie
La récupération de l’énergie du soleil avec la photosynthèse artificielle

Solar power is by far the most abundant renewable zero-carbon energy resource, and artificial photosynthesis could be the most effective way to store the energy and make it more available and affordable Dr Mae-Wan Ho .

L’énergie solaire est de loin la plus abondante des ressources énergétiques renouvelables et avec zéro émission de carbone, et la photosynthèse artificielle pourrait être le moyen le plus efficace pour stocker l’énergie et la rendre plus disponible et abordable, selon Dr.Mae-Wan Ho

Rapport de l’ISIS Report 29/06/09 ISIS en date du 29/06/2009

La version originale de cet article, illustrée et avec toutes les références bibliographiques en anglais, intitulée Harvesting Energy from Sunlight with Artificial Photosynthesis est accessible par les membres de l’ISIS à partir de ce site. www.i-sis.org.uk/ArtificialPhotosynthesis.php

Une version électronique du rapport complet peut être téléchargée à partir du magasin en ligne ISIS. Télécharger maintenant

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La lumière du soleil est, de loin, la plus grande source d’énergie renouvelable

Il est prévu que la demande mondiale d’énergie va augmenter de 57 pour cent : de 14,9
TW (1 TeraWatt = 1012 W) en 2004 à 23,4 TW en 2030 [1]. Il est très urgent de
développer une énergie "neutre en carbone" puisque le niveau de CO2 doit être maintenu
au-dessous de 550 ppm, qui est l’objectif fixé par le Groupe Intergouvernemental
d’Experts sur l’Evolution du Climat, que la plupart des gouvernements ont accepté.

Trois
grands axes sont envisagés : la fission nucléaire, la capture et le stockage du carbone, et
enfin les énergies renouvelables.

En dehors du fait qu’elles sont non durables, ainsi que dangereuses et peu rentables [2]
(voir The Nuclear Black Holeet d’autres articles de la série, dans la revue Science in
Society N° 40), l’estimation des ressources d’uranium restantes ne sont que suffisantes
pour produire 100 TW-an d’électricité et elles seront épuisées dans une décennie.

De même pour le piégeage, ou capture du carbone et son stockage (CCS en anglais)
dans les aquifères souterrains : il est trop tard pour qu’il soit utilisable et beaucoup trop
coûteux et inefficace [3] (Carbon Capture and Storage A False Solution, SiS 39).

D’après une étude commandée par le gouvernement fédéral allemand, il a été estimé
que la capture du carbone et son stockage, CCS, émet dix à quarante fois plus de gaz à
effet de serre que l’énergie solaire ou éolienne, et n’assure aucune protection contre la
hausse des coûts des combustibles et des carburants fossiles [4] (Renewables versus
Carbon Capture and Storage, SiS 39).

Pour être viable, le dioxyde de carbone capturé et
stocké ne doit pas s’échapper, au niveau mondial et en moyenne, au-delà d’un taux ne
dépassant pas un pour cent, sur une période de plusieurs siècles ; sinon le flux émis est
supérieur ou égal au flux qu’il est prévu initialement d’éviter [1]

Parmi les énergies renouvelables, la plus importante des ressources est, de loin,
fournie par le soleil [1].

L’énergie solaire atteint la surface de la terre avec un taux
considérable de 120.000 TW, mais seule une infime partie, <0,001 pour cent, est
actuellement exploitée pour produire les 145 GW de la capacité mondiale actuelle [5]
(voir Global Shift to Renewable Energies Happening, SiS 43).

Beaucoup de moyens pour récupérer la lumière solaire mais son stockage est un problème

Il existe de nombreuses façons pour récupérer la lumière solaire, ce qui implique sa
capture et sa conversion, mais le stockage de l’énergie est un problème. La capture et la
conversion de l’énergie solaire est accomplie par les systèmes photovoltaïques (PV),
qui transforment la lumière du soleil en électricité, et en particulier l’énergie solaire
thermique, qui capte la lumière du soleil pour réchauffer (et refroidir) de l’eau et des
espaces.

La concentration de l’énergie solaire, en utilisant des miroirs qui s’orientent pour suivre le
mouvement du soleil tout au long de la journée, est la finalité extrême de l’énergie solaire
thermique et elle est capable de produire une puissance de chauffage équivalente à des
milliers de soleils [6].

La génération de chaleur est également associée avec la
production d’électricité dans le même module. La production combinée de chaleur et
d’électricité solaire sont maintenant mises en oeuvre en Europe et elle est en cours
d’élaboration en Australie, en Amérique et en Chine.

Cependant, le soleil brille par intermittence, et ce, uniquement pendant la journée. Il est
donc nécessaire de disposer de capacités de stockage efficaces et rentables, si l’énergie
solaire doit devenir une source d’énergie primaire pour la société [1].

L’énergie solaire est déjà incluse dans le marché des énergies renouvelables [5], et
tandis que le monde se tourne désormais vers les énergies renouvelables par rapport aux
énergies fossiles, nous devrions viser à l’intégration des fonctions de capture, de
transformation et de stockage pour exploiter l’énergie solaire.

En principe, l’électricité peut être stockée dans des batteries, mais les batteries sont
encore trop coûteuses. Une autre méthode consiste à stocker l’énergie électrique
mécaniquement à l’aide d’une pompe à eau en amont, mais cela implique le chargement
et le déchargement sur un cycle de 24 h. Pour satisfaire la demande énergétique des
Etats-Unis dans un cycle jour - nuit, cela supposerait de disposer d’un tampon qui
exigerait une capacité de pompage équivalente à plus de 5.000 barrages Hoover pour
le remplissage et la vidange des réservoirs chaque jour et chaque nuit.

Avec le solaire thermique, l’énergie peut être stockée dans l’eau dans un réservoir
thermiquement isolé, au-dessus ou au-dessous de la température ambiante ; elle peut
ensuite être utilisée pour chauffer des espaces au cours de la nuit ou pour refroidir les
espaces au cours de la journée [7].

Une méthode de stockage de l’énergie solaire a déjà été inventée par la nature : c’est la
photosynthèse, qui utilise la lumière du soleil pour décomposer, ou dissocier l’eau en
libérant l’oxygène, d’une part, et pour fixer le dioxyde de carbone dans les hydrates de
carbone [ou glucides] avec l’hydrogène, d’autre part, ce qui créée la biomasse [8] (voir
Living with Oxygen, SiS 43).

La photosynthèse a effectivement approvisionné le monde avec de la nourriture, des
fibres, des matériaux de construction, des carburants et des combustibles (dans la
biomasse et les énergies fossiles).

Le récent boom (et la faillite) des cultures de plantes
"bioénergétiques" pour fournir des "biocarburants", ou mieux des agrocarburants, a eu
des conséquences désastreuses dans l’accélération de la déforestation et la hausse des
prix des denrées alimentaires, en particulier dans les pays en développement [9] ]
(Biofuels : Biodevastation, Hunger & False Carbon Credits, SiS 33).

Le problème de la photosynthèse, en ce qui concerne la capture de la lumière du soleil
pour d’autres usages, c’est qu’elle n’a pas évolué de façon à maximiser l’efficacité de la
récupération de l’énergie solaire, car l’énergie solaire est rarement limitante, et il existe
de nombreux mécanismes chez les plantes qui ont évolué pour se protéger des effets
oxydatifs dommageables que peut infliger une forte lumière solaire.

Il a été estimé que le maximum théorique de l’efficacité de la photosynthèse est
d’environ 9 pour cent [10]. Cette efficacité instantanée ne serait réalisable qu’avec de
faibles intensités lumineuses, où chaque photon incident, de longueur d’onde appropriée,
peut être absorbé et utilisé pour la production des transferts d’électrons (voir ci-dessous).

En conditions de plein soleil, la photosynthèse naturelle utilise seulement une fraction
des photons incidents. La fixation du carbone en aval réduit encore l’efficacité
atteignable ; de plus, de nombreux organismes photosynthétiques présentent des
variations saisonnières dans leurs taux de photosynthèse.

En conséquence, sur une base annuelle, l’efficacité photosynthétique moyenne est, au
mieux, inférieure à 0,2 pour cent avec des cultures bioénergétiques terrestres, et
inférieure à 5 pour cent avec les microalgues [11] (voir [12] Saline Agriculture to Feed
and Fuel the World, SiS 42).

La photosynthèse artificielle

3
Une approche pour stocker l’énergie solaire réside dans la photosynthèse artificielle,
qui tente de reproduire et d’améliorer le processus naturel, principalement pour obtenir
de l’hydrogène comme combustible pour une utilisation dans des piles à combustible ;
elle comprend la séparation photoélectrochimique de l’eau, en hydrogène et en
oxygène (l’inverse d’une cellule de combustion, dans laquelle l’hydrogène et l’oxygène se
recombinent pour donner de l’eau, en libérant l’énergie stockée dans l’hydrogène) (voir
Fig. 1) [13].

Dans un système photochimique ou photoélectrochimique (PEC), un matériau semi-
conducteur photoactif forme une jonction en contact avec un électrolyte liquide ou solide.

En raison du potentiel de jonction, des paires électron-trou sont produites dans le
matériel photoactif sous éclairage. Les paires d’électron-trou induites par la lumière, (e-
et H+ dans le cas de l’eau) conduisent chimiquement à une réduction (à gauche, Fig. 1) et
à une oxydation (à droite, Fig. 1)], qui se traduit respectivement par une évolution de
l’hydrogène et de l’oxygène. L’eau est ainsi divisée en ses éléments de base, au cours de
deux demi réactions : l’oxydation de l’eau en oxygène et la réduction des protons en
hydrogène ; chacune de ces deux demi réactions exige son propre catalyseur et des
conditions optimales.

De cette façon, l’énergie des photons est transformée directement
en énergie chimique, plutôt qu’en énergie électrique, comme cela se produit avec les
cellules PV électrochimiques ou avec l’état solide.

Conversion de la lumière du soleil en combustible et stockage de l’énergie

La condition fondamentale pour la conversion de la lumière du soleil en carburant et
combustible est basée sur l’oxydation (enlèvement d’électrons) à partir d’une source
d’électrons de faible énergie, pour produire des espèces chimiques réduites à haute
énergie (qui acceptent des électrons) [14].

Dans la photosynthèse des plantes vertes,
l’eau est le meilleur donneur d’électrons.

L’eau est une source idéale d’électrons en
raison de sa faible teneur en énergie, son abondance et la production de O2, qui peut être
amenée à réagir à la demande avec le carburant réduit, H2 , pour fournir de l’énergie.
La conversion réciproque entre l’oxygène et l’eau est décrite par l’équation (1), où hν
représente un photon d’une longueur d’onde appropriée pour la photosynthèse (voir
également la Fig. 1).

O2 + 4hν <-> 2H2O (1) (Attention : nous avons ici des problèmes d’exposants, voir le document PDF joint pour les formules exactes) (NDLR)

Dans la photosynthèse, les électrons extraits de l’eau sont stimulés en énergie par la
lumière du soleil, de sorte qu’ils peuvent produire des espèces chimiques réduites, à
haute énergie.

D’un point de vue thermodynamique, la production d’hydrogène (protons
réduits) est approximativement équivalente à la réduction du coenzyme NADP+ et, à
terme, le CO2 en hydrates de carbone [glucides].

4H+ + 4e- <-> 2H2 (2)
4
La combinaison chimique de l’oxydation et de la réduction lors de la photosynthèse
donne l’équation (3)

2H2O <-> 2H2 + O2 (3)

Le changement énergétique peut être estimé à partir du potentiel de réduction standard
E0 ’ (aussi connu sous le nom de potentiel de réduction-oxydation (oxydo-réduction) ou
potentiel électrochimique) (voir encadré)

∆ E0’= -1,23 V

Ceci est équivalent à un changement de norme d’énergie libre standard (qui représente
l’énergie stockée dans le combustible H2 ou son équivalent en biomasse), soit
∆ G0’= 474 kJ mol-1

Par la suite, la réaction de ce carburant avec de l’oxygène libère l’énergie solaire stockée
dans le sens inverse de l’équation (3), avec ∆ E0’ de 1,23 V et ∆ G0’ de -474 kJ mol-1


Potentiel de réduction

Les réactions d’oxydation-réduction sont communes en bioénergétique et le transfert
d’électrons à partir d’une substance (donneur) à une autre (accepteur), conformément à
leur potentiel de réduction relatif. Le potentiel de réduction (ou potentiel d’oxydation-
réduction ou potentiel rédox) est l’affinité d’une substance pour les électrons.

La valeur
de chaque substance est comparée à celle de l’hydrogène, qui est fixée arbitrairement à
zéro, dans des conditions standard de 25°C, 1 atmosphère et 1 M de concentration.

Des substances qui ont un potentiel d’oxydo-réduction positif acceptent des électrons de
l’hydrogène qui est réduit, tandis que des substances qui ont un potentiel d’oxydo-
réduction négatif donnent des électrons à l’hydrogène, qui devient oxydé.

Le potentiel rédox est le même que le potentiel électrochimique et que le niveau de
Fermi utilisé en physique de l’état solide [15].

Principales entraves, ou obstacles

Au cours de la crise pétrolière de 1974, l’Agence internationale de l’énergie, mise en
place au sein de l’OCDE (Organisation for Economic Cooperation and Development) pour
aborder les défis liés à l’énergie dans un esprit de collaboration, avait établi son
programme Hydrogène (Hydrogen Implementing Agreement, HIA) en 1977.

Il avait été inclus dans ce programme HIA, la production d’hydrogène par voie
photoélectrolytique, qui concernait neuf groupes de recherche du Japon, de Suède, de
Suisse et des Etats-Unis, et qui travaillent ensemble depuis 1999.

Un rapport publié en
2004 a annoncé qu’ils n’avaient pas atteint l’objectif ultime d’une conversion efficace et
stable de la lumière solaire en hydrogène, avec un rendement de conversion de 10 pour
cent, mais que cet objectif était "en vue" [12].

Les principaux obstacles ont été identifiés comme suit

• Le manque de matériaux d’absorption lumineuse efficaces : pour une absorption
efficace et raisonnable, la bande du semi-conducteur doit être inférieure à environ
2,2 eV, mais supérieure à environ 1,6 eV.

• Corrosion des semi-conducteurs : la plupart des semi-conducteurs avec la bande
appropriée sont, en terme thermodynamique, instables dans l’eau.

• Energétique du semi-conducteur ; correspondance entre les énergies de la bande
des semi-conducteurs et les réactions pour l’évolution de l’hydrogène et de
l’oxygène.

Je vais décrire certains des progrès récents, afin de surmonter ces obstacles, dans les
articles à suivre et qui vont aussi expliquer la photosynthèse artificielle plus en détail.

Traduction en français, définitions et compléments :


Jacques Hallard, Ing. CNAM, consultant indépendant.

Relecture et corrections : Christiane Hallard-Lauffenburger, professeur des écoles
honoraire

Adresse : 19 Chemin du Malpas 13940 Mollégès France

Courriel : jacques.hallard921@orange.fr

Fichier : Energie Biologie Harvesting Energy from Sunlight with Artificial Photosynthesis
ISIS French.4

PDF (Traduction en français, définitions et compléments ) sur demande à yonne.lautre@laposte.net