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Énergie solaire : de meilleurs rendements grâce à une galette en carbone

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Les centrales solaires thermodynamiques à concentration sont des alternatives aux centrales solaires qui utilisent des cellules photovoltaïques. Leur taux de conversion de l'énergie solaire en vapeur pourrait être fortement augmenté avec des coûts moins élevés grâce à un matériau simple à base de carbone que viennent de mettre au point des chercheurs du MIT.

Les centrales solaires thermodynamiques concentrent les rayons du soleil avec des miroirs pour chauffer de l'eau. Malheureusement, le processus conduit à des pertes de chaleurs importantes. La galette à base de carbone que l'on voit ici permet de contourner cet obstacle. Placée à la surface de l'eau et chauffée par un faisceau de rayons solaires concentrés, elle produit de la vapeur avec un excellent rendement. © MIT

L'histoire de l'humanité au XXIe siècle va dépendre fortement de sa capacité à relever le défi de l'utilisation de l'énergie solaire. On multiplie donc les travaux de par le monde afin de mettre au point des cellules photovoltaïques toujours plus performantes et moins coûteuses, en utilisant par exemple la nanotechnologie. On cherche aussi à faire de la photosynthèse artificielle. D'autres voies de recherche sont également explorées parmi lesquelles il en est une fort ancienne : les centrales solaires thermodynamiques à concentration. Le principe est simple, il s'agit de concentrer les rayons du soleil à l'aide de miroirs afin de chauffer un fluide caloporteur. La vapeur produite peut alors être utilisée pour produire de l'électricité ou pour d'autres usages comme la stérilisation. Surtout, c'est aussi un moyen pour dessaler l’eau de mer. Cette technologie est donc particulièrement appropriée pour des régions comme l'Afrique, l'Inde et le Moyen-Orient où l'ensoleillement est élevé et les ressources en eau potable de plus en plus problématiques.

Malheureusement, ces centrales solaires thermiques à concentration reposent encore sur des technologies relativement coûteuses et des rendements qui ne sont pas à la hauteur des besoins. Cela va peut-être changer grâce à une découverte faite par plusieurs chercheurs du MIT qui viennent d'exposer leurs travaux dans un article de Nature Communication.

La galette mise au point par les chercheurs du MIT pour générer de la vapeur à partir de la lumière du soleil est constituée de deux couches comme indiqué sur le schéma de gauche. Il y a d’abord une couche isolante (insulating) en mousse de carbone, sur laquelle se trouve une autre tout aussi poreuse que la précédente, où se réalise la génération de vapeur. © MIT

Elle a consisté à fabriquer un matériau poreux à bon marché capable d'absorber efficacement la lumière du soleil pour produire de la vapeur avec des pertes de chaleur très faibles, contrairement à ce qui se produisait avec d'autres matériaux et les grands champs de miroirs ou de lentilles utilisés pour concentrer la lumière solaire sur de grands volumes de liquide. Pour cela, un matériau de couleur noir est bien sûr idéal et on ne sera donc pas surpris que les chercheurs aient fini par se tourner, après de multiples essais, vers le graphite.

Un rendement de 85 % pour la production de vapeur

Ils ont constitué avec lui une galette assemblée de flocons de graphite sur une mousse de carbone. Poreuse, elle est suffisamment légère pour flotter sur l'eau contenue dans le récipient qu'elle recouvre. Les flocons furent obtenus simplement en plaçant du graphite dans un four à micro-ondes, ce qui a provoqué la formation de bulles (un peu à la façon dont on obtient du pop-corn).

Lorsqu'un faisceau de lumière solaire concentrée touche la galette, le graphite s'échauffe. Il s'installe alors un gradient de pression qui va faire remonter l'eau par capillarité à travers les pores de la mousse de carbone. L'eau finit par se vaporiser dans la couche de graphite de sorte que la galette fonctionne comme une éponge qui, placée dans l'eau pendant une journée chaude et ensoleillée, peut continuellement absorber et évaporer du liquide. Par ailleurs, la couche de carbone sert aussi d'isolant, empêchant la chaleur de s'échapper de l'eau sous-jacente.

Les chercheurs ont constaté qu'avec un faisceau de lumière dont l'intensité était seulement 10 fois supérieure à celle d'une journée ensoleillée typique, ils pouvaient atteindre un taux de conversion record de 85 % de l'énergie solaire en vapeur. D'autres expériences similaires, cette fois avec des nanoparticules, ont nécessité une intensité 1.000 fois supérieure. Il semble possible d'augmenter ce taux de conversion avec une intensité lumineuse encore moindre. Une technologie semblable qui pourrait être développée à grande échelle est peut-être bien la clé de l'énergie de demain.