Par Hubert Blatz
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Trois techniques originales pour stocker l’énergie renouvelable
Dépendantes de facteurs tels que le vent et le soleil, les énergies renouvelables sont limitées dans leur capacité à fournir de l’électricité en adéquation avec les besoins du réseau. Pour remédier à leur intermittence, la question du stockage est un point crucial à soulever. A travers le monde, de multiples solutions existent pour stocker ces énergies vertes, certaines plus matures que d’autres à l’image des batteries lithium-ion ou des stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) qui utilisent la gravité de l’eau. Il existe aussi le stockage par production d’hydrogène à partir de l’électrolyse de l’eau, qui fait l’objet d’un important soutien en France. D’autres procédés sont encore à l’état d’expérimentation ou sur le point d’être commercialisés. Tour d’horizon de trois technologies originales de stockage des énergies renouvelables.
Liquéfier l’air pour produire un cryogène
Lorsque l’électricité est excédentaire, l’air est prélevé à l’extérieur et liquéfié à très basse température (-150 degrés). Le cryogène obtenu est ensuite stocké dans des réservoirs isothermes. En cas de besoin d’énergie, le cryogène est pompé et détendu pour procéder à son évaporation et ainsi faire tourner des turbines qui produisent de l’électricité. Ce procédé présente l’inconvénient d’afficher un faible rendement de l’énergie électrique redistribué, évalué entre 8 à 10 %. Mais il s’accompagne d’une production de chaleur générée par les compresseurs lors de la phase de liquéfaction ainsi qu’une production de froid lors de l’évaporation de l’air. « Si l’on récupère la chaleur et le froid, le rendement peut monter potentiellement entre 70 à 75% », précise Denis Leducq, ingénieur de recherche à l’INRAE. « Le procédé est donc particulièrement intéressant pour des sites industriels de type entrepôts frigorifiques ». Ce système, né au Royaume-Uni, fait actuellement l’objet d’un programme de recherche réunissant cinq pays européens dont la France à travers l’INRAE. Baptisé CryoHub, les chercheurs s’apprêtent à tester cette nouvelle technologie sur le site belge de la société Frigologix. Un démonstrateur grandeur nature est en cours de construction et les premiers essais doivent débuter cet été.
Comprimer l’air sous l’eau
Le procédé est installé en mer et associé à des éoliennes. Une partie de l’électricité est utilisée en cas de surplus d’énergie pour alimenter une pompe qui fait monter le niveau d’eau dans une chambre de compression de 10 mètres de haut et ainsi comprime l’air. En cas de besoin d’électricité, l’air est dépressurisé puis va pousser l’eau et alimenter la pompe qui va générer du courant. « Pour comprimer l’air, nous utilisons un piston liquide à une température quasi constante » explique Albert Subrenat, enseignant-chercheur à l’Institut Mines-Télécom Atlantique. « Il n’y a pas d’abaissement de température, ce qui évite les problèmes de givre sur les turbines du générateur d’électricité ». Le stockage de l’air est réalisé dans de grands réservoirs de 200 à 500 m3 entre 100 à 150 mètres sous l’eau. A cette profondeur, la pression est comprise entre 10 à 15 bars. « On profite de la pression de l’eau pour contenir la pression à l’intérieur des réservoirs de stockage qui est quasiment la même » complète Albert Subrenat. Cette technologie est portée par l’entreprise Segula Technologies en association avec l’IMT Atlantique. Un rendement de l’énergie redistribuée de 70 % est annoncé. Le projet est actuellement dans une phase d’essai, l’ensemble du système est installé au CETIM (Centre technique des industries mécaniques) en modèle réduit avec une chambre de compression de 3 mètres.
Utiliser la gravité de blocs de béton
Une grue utilise l’électricité produite en excès pour faire grimper des blocs de béton de 35 tonnes jusqu’à 120 mètres de hauteur. L’énergie cinétique de ce mouvement est alors transformée en énergie potentielle. Lorsque la demande d’électricité est supérieure à l’offre, les blocs sont descendus et ce mouvement alimente alors un alternateur qui restitue l’énergie pour la transformer en électricité. Conçue par la startup suisse Energy Vault, cette technologie est inspirée par les centrales hydrauliques et le principe de gravité. Ici, l’eau est remplacée par les blocs de béton. La société annonce un rendement compris entre 85 et 90 % pour une durée de vie du système supérieure à 40 ans. Afin de baisser le coût de fabrication, le béton utilisé provient de déchets de construction. La startup a déjà conclu un contrat commercial avec le géant indien Tata Power pour la construction d’une tour d’une capacité de stockage de 35 MWh et une puissance de crête de 4MWh.
Photo de Une : Société Energy Vault
La réalité virtuelle au service des hôpitaux
La réalité virtuelle propose de nombreuses applications et la médecine n’est pas exclue. En recréant un environnement dans lequel l’utilisateur va s’immerger, la réalité virtuelle est employée dans un cadre médical, au service de la formation, de l’apaisement des patients et de la rééducation.
La formation chirurgicale au bout des doigts
La formation dans des conditions similaires au réel est l’une des premières applications de la réalité virtuelle qui n’échappe pas au domaine du médical. Dans l’acte chirurgical, le geste doit être précis et l’erreur n’est pas admise. Ainsi, des entreprises développent des logiciels de simulation permettant de s’exercer à l’envi. La société britannique Fundamental VR en fait partie avec son logiciel Fundamental Surgery qui associe la technologie HapticVR pour apporter le sens du toucher à la réalité virtuelle. L’avantage de l’haptique est d’avoir un retour sensitif au geste que “l’apprenti” va réaliser. Voir la démonstration en vidéo.
La plateforme Osso VR est, quant à elle, dédiée à la chirurgie orthopédique. Elle permet aux praticiens de s’exercer mais également d’apprendre à maîtriser les nouveaux équipements mis au point. Elle est également composée d’un casque de réalité virtuelle et de manettes haptiques : l’Oculus Quest et les Oculus Touch. Une fonctionnalité de hand tracking est intégrée au casque pour pouvoir interagir avec le monde virtuel sans utiliser les manettes. Depuis début février, le casque est capable de détecter automatiquement l’absence de manettes pour déclencher la fonctionnalité.
Une thérapie pour les patients
La réalité virtuelle est également utilisée comme une thérapie pour réduire le stress des patients qui ont subi des opérations, augmentant ainsi leur rémission. Pour lutter contre les risques de rejet dans les greffes pulmonaires par exemple, la start-up C2Care a mis au point des logiciels thérapeutiques pour une application préventive. Via le casque de réalité virtuelle Oculus, le patient sera immergé dans la salle de réanimation telle qu’il la verra à son réveil, avec des machines qui l’entourent et leurs bruits correspondants. Les essais cliniques sur 20 patients ont débuté en janvier.
Une autre entreprise, la start-up HypnoVR, plonge quant à elle les patients dans un état de semi-conscience et d’hypnose toute la durée d’un acte douloureux. La technologie est actuellement implantée dans quelques CHU comme Strasbourg, Bordeaux ou Lyon. D’autres sociétés se sont également lancées sur ce créneau, pour apaiser les maux. C’est le cas de la start-up lyonnaise Lumeen ou encore de la société Lenovo.
La rééducation des patients
La technologie est de plus en plus utilisée pour une autre application : la rééducation. Le centre Cooper University Health Care, aux Etats-Unis, est le premier à utiliser un nouveau système de réalité virtuelle pour la rééducation de patients qui ont subi un AVC. La technologie entièrement immersive REAL, co-développée avec le fabricant Penumbra, est composée d’un casque de réalité virtuelle, de capteurs placés sur le corps pour mesurer le déplacement et de manettes dotées du hand tracking. L’ensemble permet au soignant de suivre la rééducation des membres supérieurs du patient. En effet, les patients adultes réalisent des exercices interactifs en utilisant un mélange d’environnements virtuels et avatars pour avoir un feedback visuel. L’objectif est de tonifier les bras du patient.
Copyright photo et illustration : Oculus (captures d’écran YouTube)
Un pansement « intelligent » pour surveiller les plaies chroniques
Mal soignées, les plaies chroniques peuvent avoir des conséquences graves et mener jusqu’à l’amputation du membre infecté. Pour améliorer la prise en charge des patients concernés, la startup Grapheal a conçu un pansement « intelligent » capable de surveiller l’évolution d’une plaie et transmettre les données mesurées au personnel de santé.
Le biocapteur à l’intérieur du pansement est fabriqué à partir de graphène, un nanomatériau carboné. Vincent Bouchiat, ex-chercheur au CNRS et PDG de la société, nous explique le procédé technologique et son intérêt médical.
Techniques de l’Ingénieur : Comment fonctionne cette innovation ?
Vincent Bouchiat, PDG de Grapheal : A l’origine, l’innovation est issue d’un laboratoire de recherche du CNRS, l’Institut Néel, où l’on étudie le graphène et ses applications en bioélectronique. Ce matériau est un bon conducteur électrique qui est sensible à l’environnement physico-chimique. Il peut servir de détecteur électrochimique et en même temps il est très flexible et biocompatible. Il présente donc des applications biomédicales. Nous utilisons la méthode du dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour fabriquer ce nanomatériau constitué d’une couche de carbone pur d’un seul atome d’épaisseur. Cette méthode consiste à décomposer du méthane à très haute température (1 000 °C) pour produire des atomes de carbone qui se déposent et se cristallisent sur un support de cuivre en présence d’hydrogène. Le graphène ainsi formé est ensuite transféré sur un polymère en plastique. Nous y ajoutons un microprocesseur, une mémoire et une antenne. Tout ceci forme un patch que l’on peut introduire à l’intérieur d’un pansement traditionnel quelle que soit la taille de ce dernier.
Quel est l’intérêt médical de ce patch ?
Il est capable de mesurer en temps réel et objectivement l’évolution d’une plaie, son degré de cicatrisation et ainsi détecter précocement les risques d’infection. Les données mesurées sont transmises, via un smartphone, sur une application et donc disponibles à distance au personnel soignant. La transmission est réalisée grâce au protocole NFC (Near Field Communication), celui utilisé pour le paiement sans contact ou le passe Navigo de la RATP. Ce patch s’adresse principalement aux personnes âgées ainsi qu’à celles atteintes du diabète et qui souffrent de plaies chroniques supérieures à six semaines. Ces plaies sont une véritable épidémie silencieuse qui coûte chaque année un milliard d’euros au système français de santé. On dénombre 12 000 personnes diabétiques amputées par an à cause d’infections liées à ces plaies. Nous souhaitons aussi développer un serveur sécurisé qui conserve tout l’historique des mesures ainsi que les soins prodigués aux malades, car ces plaies peuvent parfois durer trois à quatre ans. Avec le renouvellement du personnel soignant, il est actuellement difficile de retracer le parcours de soins, les antibiotiques administrés aux malades…
A quelle phase de votre projet en êtes-vous ?
Nous travaillons sur cette innovation depuis cinq ans. Des prototypes ont été réalisés ainsi que des essais in vitro et in vivo sur des animaux. Nous avons démontré la non-toxicité de notre technologie. Elle est protégée par des brevets qui couvrent le procédé de dépôt du graphène, celui du transfert du matériau sur un polymère et le dispositif médical. Nous allons débuter des essais cliniques sur des personnes saines puis sur des patients diabétiques. Le dossier d’agrément pour obtenir l’accord de la réglementation européenne est assez long et nous pensons commercialiser notre procédé en 2023. Nous allons profiter de ce temps pour effectuer un travail de pédagogie pour démontrer l’utilité de notre dispositif auprès des médecins qui prescriront son usage, des infirmiers qui auront à le gérer et bien sûr des patients. D’autres entreprises travaillent également sur un pansement « intelligent » mais utilisent des matériaux différents, comme le silicium. Ce matériau est, selon moi, moins adapté à l’usage d’un pansement et entraîne un coût plus élevé. Nous sommes la seule société à mesurer l’évolution d’une plaie à partir du graphène. Notre patch sera vendu environ 10 euros pour un usage unique.
Propos recueillis par Nicolas Louis.
Une nouvelle filière de matériaux thermoplastiques en développement
Légers, faciles à travailler, recyclables, les atouts des matériaux thermoplastiques sont nombreux. Afin de développer leurs applications, le projet HAICoPAS (Highly automatized integrated composites for performing adaptable structures) a pour objectif de créer une nouvelle filière allant de la production des matières premières jusqu’au contrôle de la qualité des pièces. Il réunit deux industriels qui fourniront les deux matériaux de ces composites : Hexcel pour les fibres de carbone et Arkema pour les polymères. Plusieurs petites et moyennes entreprises très qualifiées et reconnues pour leur expertise dans le domaine des équipements et des procédés de production sont également associées au projet ainsi que deux laboratoires du CNRS.
Ces thermoplastiques seront principalement destinés aux industries de l’aéronautique et de l’automobile ainsi qu’à celles du pétrole et du gaz. Dans les avions, ces matériaux sont jusqu’ici uniquement présents à l’intérieur des appareils. L’objectif à terme est de fabriquer des pièces composant la structure extérieure comme les ailes ou le fuselage. Le but est d’alléger les avions afin de réduire leur consommation de carburant mais surtout d’augmenter les cadences de fabrication des pièces afin de baisser les coûts de production. Car contrairement aux matériaux thermodurcissables, nul besoin d’autoclave à haute température et sous haute pression pour fabriquer des pièces composites à matrice thermoplastique. Il suffit de les chauffer puis de les laisser se refroidir afin qu’elles se solidifient à nouveau. Le phénomène est en plus réversible.
Étudier la durabilité des matériaux
Sur le plan de la recherche, plusieurs questions liées à la physique des matériaux vont être soulevées. Les composites utilisés sont des nappes constituées de fines bandes unidirectionnelles de fibres de carbone pré-imprégnées de polymère thermoplastique. « Nous cherchons à comprendre comment le polymère va se fondre et se cristalliser avec la fibre, explique Ilias Iliopoulos, directeur de recherche au laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux qui est associé au consortium HAICoPAS. Nous allons aussi étudier la durabilité de ces matériaux dans un environnement agressif comme par exemple en présence de pluie, de carburant… ». Un travail de recherche sur les procédés de mise en forme des pièces à hautes cadences va aussi être réalisé. Les nappes seront chauffées par laser jusqu’à des températures pouvant avoisiner 400 degrés avec des vitesses de fabrication pouvant atteindre le mètre par seconde. « Nous allons mesurer et modéliser les évolutions de températures lors du chauffage puis du refroidissement », complète Nicolas Boyard, chargé de recherche au Laboratoire de thermique et énergie de Nantes, également partenaire de HAICoPAS.
Des lignes de production robotisées
En plus de la constitution de ces pièces thermoplastiques, il est aussi question d’étudier le soudage des pièces entre elles. Contrairement à d’autres matériaux comme les métaux, il n’est pas nécessaire de les percer puis d’utiliser des rivets pour les assembler. « Il faut être capable de les chauffer localement en veillant à ne pas chauffer trop profondément afin d’éviter toute déconsolidation des pièces. Là encore, nous allons étudier ce phénomène du point de vue des transferts thermiques », ajoute Nicolas Boyard.
Initié en 2019 et d’une durée de quatre ans, le projet HAICoPAS a reçu un soutien financier de 6 millions d’euros en tant que Projet de recherche et de développement structurant pour la Compétitivité (PSPC) dans le cadre du Programme d’investissements d’avenir (PIA). Le budget global s’élève à 13,5 millions d’euros. A terme, de nouvelles lignes de production robotisées et d’assemblage des pièces composites doivent sortir de terre. Une fois utilisés, les thermoplastiques présentent l’avantage d’être plus facilement recyclables, ce qui devrait contribuer à les fabriquer à des prix compétitifs. L’aptitude au recyclage et les bénéfices environnementaux apportés seront étudiés dans le cadre de ce projet.
Du plastique d’origine végétale compostable à la maison
« Le PLA, ou acide polylactique, est un polymère biosourcé qui pourrait être une alternative à de nombreux polymères pétrosourcés dans nombre d’applications, mais sa compostabilité est limitée, rappelle Clémentine Arnault, responsable R&D de Carbiolice. Nous avons développé Evanesto, un additif basé sur des enzymes rendant les produits qui contiennent du PLA compostables en conditions domestiques ». Communément fabriqué à partir d’amidon de maïs, le PLA pourrait ainsi se substituer dans certaines applications au polystyrène (PS), au polypropylène (PP) et au polyéthylène basse densité (PEBD).
Une enzyme activée en conditions particulières
Le PLA est un polymère naturellement biodégradable. La biodégradation se fait par hydrolyse des fonctions esters pour former des oligomères de PLA. Dans une seconde étape, ces oligomères sont digérés par des micro-organismes naturellement présents dans l’environnement, ce qui dégage du CO2. « Nous avons sélectionné une enzyme particulière, de la grande famille des protéases, qui permet d’accélérer la vitesse d’hydrolyse des fonctions esters du PLA », souligne Clémentine Arnault.
Pendant la durée de vie de l’objet final contenant Evanesto, l’enzyme restera inactive, comme endormie. C’est seulement lorsqu’il sera jeté dans un composteur domestique que l’enzyme s’activera et accélérera la biodégradation. « Une enzyme a besoin de conditions d’activation particulière : dans notre cas, il faut un pH autour de 9, une température autour de 28°C et une humidité supérieure à 55 % », précise la chercheuse.
Des enzymes danoises, une usine française
Carbiolice a signé un accord d’approvisionnement d’enzymes en provenance du Danemark avec le leader mondial Novozymes. L’entreprise concentre ensuite ces enzymes sur un polymère biodégradable pour être utilisé comme un additif à une concentration d’environ 5 %. « Evanesto est ensuite ajouté à un plastique composite qui contient un fort taux de PLA, sur des outils de la plasturgie conventionnels, complète Clémentine Arnault. Nous voulons une solution universelle pour faire en sorte que cet additif s’adapte à la plus grande diversité de composites, avec des taux de PLA variables, de 35 % à plus de 70 % ». L’ensemble de la technologie a été brevetée : les enzymes, l’additif complet, le procédé et les applications.
L’entreprise a installé sa première usine à Clermont-Ferrand. D’une capacité de production d’Evanesto d’environ 4 000 tonnes par année, elle pourrait adresser un marché de 80 000 tonnes de produits finis en considérant un taux d’incorporation moyen de 5 % de l’additif.
Des films et des barquettes mono et multicouches
« Nous avons commencé à travailler sur des films fins d’une épaisseur d’environ 15 µm qui contiennent 5 % d’Evanesto, 35 % de PLA et d’autres polymères flexibles biodégradables, par exemple du PBAT ou du PBS, explique Clémentine Arnault. Dans un compost domestique, après 182 jours, tout le film est désintégré et il se biodégrade en 195 jours au lieu des 365 théoriques pour répondre aux exigences de la certification OK Home Compost ». Evanesto permettrait ainsi d’accélérer la biodégradation du PLA, d’environ 30 %.
Carbiolice valide actuellement la dégradation de pièces plus épaisses (450 µm), à 70 % de PLA pour des applications en thermoformage. « En compostage domestique, la feuille se désintègre en moins de 6 mois ; les tests de biodégradation sont encore en cours, mais nous avons montré un taux de dépolymérisation de 20 % en 20 jours », indique Clémentine Arnault. L’entreprise travaille aussi pour des films et barquettes multicouches. Dans les deux cas, Evanesto peut être placé en couche centrale, entouré de polymères eux-mêmes compostables. Selon les tests effectués par la société et confirmés par des laboratoires indépendants, il n’y aurait pas de migration de l’enzyme. Cela laisse envisager des applications pour des emballages multicouches, aptes au contact alimentaire.
Une commercialisation dès avril 2020
Les premières commercialisations de produits sont prévues dès avril 2020. Evanesto devrait dès lors être introduit dans des films monocouches jusqu’à 50 µm pour des applications techniques, ne nécessitant pas l’aptitude au contact alimentaire. « Le PLA additivé aura un coût d’environ 30 % supérieur à du PLA classique, en fonction de la tension du marché », partage Clémentine Arnault.
« Evanesto pourra en plus être utilisé dans des films multicouches jusqu’à 25 µm pour des applications d’emballages alimentaires souples du type sachets de chips ou de salade, complète-t-elle. En septembre, nous devrions avoir les certifications Home compost pour les feuilles monocouches jusqu’à 450 µm et les barquettes multicouches à 225 µm ». Carbiolice développe déjà une deuxième génération d’enzymes. Elle déposera un dossier de contact alimentaire pour cette seconde enzyme, en espérant l’obtenir d’ici 2023 au plus tard.
Les calculateurs NISQ : pour valider ce qui « marche »
Contrairement aux principes classiques, une particule quantique peut être dans différents états simultanément.
Appliqué à l’informatique, un bit « classique » est soit dans l’état 0, soit dans l’état 1. Un bit quantique (qubit ou « quantum bit ») est à la fois dans les états 0 et 1. C’est le principe de superposition qui permet à une particule d’être à la fois dans plusieurs des états de la base qui la caractérise.
Mais la « décohérence quantique », c’est-à-dire la particularité des qubits à perdre leurs propriétés quantiques à cause de leur extrême sensibilité à leur environnement, a un impact non négligeable sur les résultats obtenus par un système quantique (des erreurs dues, entre autres, au bruit environnant).
Pour l’instant, on parvient à stabiliser une vingtaine de qubits de façon opérationnelle et une cinquantaine dans un cadre expérimental. Le niveau supérieur est atteint avec les systèmes baptisés Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ).
Coprocesseur quantique
Ils sont capables de stabiliser 50 à 100 qubits. Mais cette période de stabilité est trop courte pour réaliser certaines opérations. Même si leur précision ne peut être retenue, ils permettent de démontrer que cela « marche », que les algorithmes sont valides.
Ils pourraient permettre de découvrir de nouveaux matériaux pour l’électronique (panneaux solaires plus efficaces, ordinateurs plus rapides, caméras thermiques plus sensibles…) ou de mieux comprendre le comportement d’une molécule dans son environnement naturel.
Autre opportunité très importante pour les NISQ dans les cinq à dix prochaines années : la simulation des processus chimiques et des catalyseurs. Ces derniers sont des substances qui accélèrent les réactions chimiques. Ils sont au cœur de toute l’industrie chimique et sont utilisés chaque jour dans la production de médicaments, de matériaux, de cosmétiques, de parfums…
Aujourd’hui, de nombreuses startups travaillent sur ce concept, et notamment avec des algorithmes hybrides (quantique/classique). Dans ce cas, un ordinateur quantique est composé de parties constituées de technologies et d’architectures classiques. Elles permettent de piloter et de contrôler des parties exploitant des phénomènes quantiques pour ces calculs. On parle alors de coprocesseur quantique.
Quelques années seront encore nécessaires avant que les NISQ soient réellement au point. Mais le potentiel est énorme. Dans un ordinateur classique, la croissance de la puissance est linéaire en nombre de bits et de transistors.
Un ordinateur quantique peut doubler sa puissance de calcul à chaque qubit ajouté !
Le photovoltaïque s’invite dans le monde agricole
Lors du Salon de l’agriculture, la ministre de la Transition écologique, Elisabeth Borne, a annoncé le relèvement du seuil des installations photovoltaïques pouvant bénéficier d’un tarif d’achat en guichet ouvert. Il triple, passant de 100 kilowatts crête (kWc) à 300 kWc. Cela rend éligibles des projets d’envergure sur les toitures agricoles, dans le secteur industriel ou encore dans l’équipement des bâtiments publics. Et cela offre « un cadre de développement plus efficace que le dispositif d’appel d’offres actuel qui, après plusieurs périodes de sous-souscription, a montré ses limites pour accélérer la dynamique de ce marché », se félicite le syndicat des énergies renouvelables. Le secteur attend désormais de connaître le mécanisme de ce nouveau niveau du tarif d’achat.
L’agrivoltaïsme pour combiner culture et production d’énergie
En parallèle, d’autres types de technologies cherchent à s’imposer au cœur même des champs. C’est l’agrivoltaïsme qui consiste à associer la production d’électricité et des pratiques agricoles sur une même surface. Les panneaux photovoltaïques sont alors installés sur des mâts, au-dessus de champs ou de systèmes d’élevage.
Les sociétés ACTHUEL et ARTIFEX ont recensé les projets emblématiques dans le monde. Parmi les activités agricoles développées : la pisciculture, l’ostréiculture, l’élevage – en majorité ovin – l’arboriculture, la vigne, le maraîchage et les grandes cultures. Mais force est de constater que le nombre de projets demeure très faible en France et dans le monde. En pisciculture par exemple, trois projets ont été recensés, dont un élevage d’esturgeons en Dordogne et une ferme solaire abritant plusieurs bassins piscicoles sur l’Ile de la Réunion.
Des recherches en cours avec l’ADEME et INRAE
Puisque la pratique agricole et la production d’électricité se partagent l’espace disponible et l’ensoleillement, les rendements des deux activités dépendent fortement de l’installation photovoltaïque. Les technologies varient selon la densité, le type de panneaux, leur inclinaison et leur mobilité. Des trackers solaires permettent de régler l’orientation des panneaux pour suivre l’orientation du soleil. Cela permet d’augmenter la production d’électricité, ainsi que le rayonnement solaire disponible pour les cultures. « Les trackers ont une double fonction : ils produisent de l’énergie et jouent un rôle de protection, par exemple en cas de coup de chaleur, avec de l’ombrage sur certaines cultures, explique Jérôme Mousset, chef du service Agriculture et Forêt à la Direction Productions et Énergies Durables de l’ADEME. Les trackers sont toujours orientés en priorisant la production de culture. »
La présence des panneaux au-dessus de cultures a deux principales incidences directes : la réduction de l’ensoleillement de la culture et la réduction du contact entre la culture et l’eau de pluie. En fonction de la culture, du climat et de la période de l’année, ces effets peuvent être bénéfiques ou néfastes. « Nous accompagnons actuellement quelques sociétés via les Programmes d’Investissement d’avenir avec différentes techniques et nous étudions l’impact sur les rendements du côté énergétique et agricole », précise Arnaud Leroy, PDG de l’ADEME.
La recension d’ACTHUEL et ARTIFEX met en avant quelques recherches effectuées par INRAE. À Montpellier, l’Institut a étudié la croissance de laitues sous panneaux photovoltaïques et étudié l’influence de l’orientabilité des panneaux. Dans le Roussillon, une exploitation viticole familiale de 60 ha s’est associée à INRAE pour planter 7,5 ha de vignes sur une parcelle en jachère, dont 6 ha équipés de panneaux inclinables et réglables. Le bilan est prévu avec la première récolte de 2021.
Au final, le développement ou non de l’agrivoltaïsme sera un choix politique. « Les promoteurs du solaire disent qu’il faudrait mobiliser 5 % de la surface agricole pour faire de l’agrivoltaïsme, mais le syndicat majoritaire [la FNSEA, ndlr] est plutôt arc-bouté en disant que ce n’est pas la vocation des champs », prévient Arnaud Leroy.
L’Afrique, une proie du réchauffement climatique
Arona Diedhiou est climatologue et physicien de l’atmosphère, directeur de recherche à l’Institut de recherche pour le développement (IRD) et en poste à l’Institut des Géosciences de l’Environnement (IGE) de l’Université Grenoble-Alpes. Il a été auteur principal du Rapport spécial du GIEC sur les implications d’un réchauffement de 1.5°C.
Techniques de l’ingénieur : Quelle est la part du continent africain dans le réchauffement climatique et comment s’adapte-t-il ?
Arona Diedhiou : L’Afrique n’est responsable que de 3,8 % des émissions totales de gaz à effet de serre dans le monde. Cependant, sur ces 20 dernières années, les émissions de dioxyde de carbone et de méthane, aussi faibles soient-elles par rapport aux émissions globales, ont significativement augmenté en Afrique Subsaharienne. Cela est en cohérence avec la croissance économique que connaissent la plupart des pays du continent.
Les Etats africains se sont tous engagés à contribuer à limiter la hausse des températures à 2°C. Mais localement, la hausse des températures en Afrique sub-saharienne sera bien supérieure au réchauffement global. Les nuits seront plus chaudes et les vagues de chaleur seront plus longues avec des températures plus élevées. Le continent connaît déjà plusieurs problèmes de développement multifactoriels. Le réchauffement climatique est sérieusement en train de complexifier ces problèmes et de compromettre les efforts des Etats et les économies locales.
La Commission économique des Nations Unies pour l’Afrique (UNECA) a noté que les secteurs de l’agriculture, l’eau, l’énergie et la préservation des écosystèmes sont considérés comme prioritaires dans la plupart des plans d’adaptation. Beaucoup de pays africains sont déjà engagés sur un modèle de croissance résilient au changement climatique, mais cette voie s’annonce difficile par manque de moyens. Il est donc urgent que les Etats respectent leur engagement de soutenir le Fonds Vert qui est le principal instrument de financement des politiques climatiques pour les pays en développement.
Comment se manifeste déjà aujourd’hui le changement climatique à l’échelle du continent ?
La majorité des modèles climatiques indiquent qu’un réchauffement de 2°C au niveau mondial se traduirait par des augmentations de température plus élevées au niveau régional en Afrique. En Afrique de l’Ouest, à 2°C, la plupart des modèles prédisent une augmentation des événements de fortes pluies dans la partie sahélienne couvrant le Niger, le Mali, le Burkina-Faso et le Tchad avec des risques d’inondations en milieu urbain. Sur la partie Ouest du Sahel, le rendement des céréales au Sénégal serait presque divisé par deux en fin de siècle sous l’effet combiné de la hausse des températures et de la baisse des pluies. Plus au Sud, le long des pays de la côte, il y aura une augmentation du risque d’inondation et dans certaines zones, il faut s’attendre à une augmentation des glissements de terrains.
En Afrique du Nord, les modèles convergent vers une baisse plus importante des précipitations à 2°C qu’à 1.5°C avec des conséquences sur la ressource en eau et sur l’agriculture. Il est aussi projeté une légère augmentation des pluies intenses et de la longueur des épisodes de sécheresses à 2°C qu’à 1.5°C.
En Afrique australe, les modèles s’accordent pour indiquer que la température augmenterait plus rapidement à 2°C (1,5 à 2,5°C) par rapport à 1,5°C (0,5 à 1,5°C). Les régions du sud-ouest, notamment la Namibie et certaines parties du Botswana, devraient connaître les plus fortes augmentations de température. La partie occidentale de l’Afrique australe devrait devenir plus sèche avec une augmentation de la fréquence des sécheresses et du nombre de vagues de chaleur vers la fin du 21e siècle. À 1,5°C, un signal robuste de réduction des précipitations est détecté sur le bassin du Limpopo et sur le bassin du Zambèze, en Zambie, ainsi que sur la région du Western Cape au Sud, tandis qu’une augmentation est prévue sur les régions centrale et occidentale d’Afrique du Sud ainsi que dans le sud de la Namibie. À 2°C, toute la région devrait faire face à une forte diminution des précipitations.
On parle beaucoup de famines et de mouvements de population en Afrique. Peut-on faire le lien avec le réchauffement ?
Si le lien entre changement climatique et menaces sur la sécurité alimentaire est observé, démontré et projeté sur plusieurs régions d’Afrique, il y a encore beaucoup d’incertitudes sur le lien entre changement climatique et migrations. En Afrique de l’Ouest par exemple, la complexité vient du fait que la mobilité ou certaines formes de migrations sont associées à des faits culturels. Cependant, des études ont montré que les migrations dues aux aléas climatiques sont de courte distance et de courte période et que les déficits de pluie et l’augmentation des températures sont les deux aléas qui ont le plus d’impact sur les migrations internes et régionales. L’essentiel des migrations concerne les zones rurales qui constituent les principales zones de départ vers des villes africaines de plus en plus vulnérables aux changements climatiques. Le lien est encore plus complexe pour ce qui est des migrations internationales.
Quel est le rôle de la communauté scientifique africaine dans l’étude du changement climatique ?
L’Afrique commence à disposer d’une bonne expertise et d’une masse critique dans le domaine. Les instances dirigeantes du GIEC ont fait un travail remarquable pour augmenter le nombre d’experts africains dans l’élaboration du prochain rapport du GIEC. Il est important d’encourager le rapprochement entre le groupe de négociateurs africains et ce groupe d’experts africains du GIEC pour mieux prendre en compte les nouveaux résultats de recherche, étayer les interventions et mieux faire entendre la voix d’une Afrique en proie au réchauffement climatique avec peu de capacité d’adaptation.
L’évaluation du changement climatique en Afrique à des échelles pertinentes pour guider les études d’impact, les politiques de développement local ou les politiques d’adaptation et d’atténuation, doit nécessairement s’appuyer sur l’expertise locale, sur une implication des scientifiques africains et des services nationaux qui connaissent les réalités du terrain. Mais au-delà d’une évaluation du changement climatique par les sciences physiques et naturelles, il s’agit surtout de proposer des solutions et des technologies acceptées par les bénéficiaires pour garantir un développement durable. Aussi, il est important qu’il y ait plus d’implication d’experts en sciences humaines et sociales dès le début du processus pour coconstruire avec la société civile africaine et les communautés des solutions et des politiques pour un développement résilient au changement climatique. Cette implication des sciences humaines et sociales est importante pour l’effectivité et l’efficacité des innovations.
Propos recueillis par Matthieu Combe
Un mois dans l’espace #2
Bételgeuse, l’étoile du mois
Vous avez probablement vu passer ce nom dans vos journaux et vos fils d’informations favoris : Bételgeuse.
Appartenant à la constellation d’Orion, l’étoile a vu baisser significativement sa luminosité. Le phénomène, observé à partir du mois d’octobre 2019, a fait frémir les astronomes.
En effet, une baisse de luminosité est le signe qu’une étoile est en fin de vie et va s’effondrer sur elle-même, pour former une supernova. Un événement rarissime, qui aurait été observable de jour comme de nuit durant plusieurs semaines. Manque de chance, depuis quelques semaines la luminosité de Bételgeuse remonte et l’étoile pourrait encore briller des centaines de milliers d’années. Fausse alerte donc. Pour le moment les hypothèses quant à cette fluctuation de luminosité sont nombreuses.
SpaceX rate l’atterrissage du premier étage de son Falcon 9
Le 17 février dernier, une fusée Falcon 9 a mis sur orbite 60 satellites supplémentaires de sa constellation Starlink. Une opération couronnée de succès, à une exception près.
Pour la quatrième fois, le premier étage de la fusée, programmé pour redescendre sur terre et se poser sur une barge au milieu de l’océan, a raté son atterrissage. Rien de spectaculaire puisque comme on peut le voir sur les images fournies (vidéo ci-dessous à partir de 18’35) par SpaceX, la barge est restée désespérément vide. Les ingénieurs de SpaceX ont laissé entendre pendant le direct que le premier étage ne s’était peut-être pas détruit lors de son amerrissage : «Malheureusement, nous n’avons pas fait atterrir le premier étage sur notre barge de récupération, mais il a atterri doucement en mer, juste à côté de la barge, il semble donc qu’il soit en un seul morceau». Nous n’en savons pas beaucoup plus pour le moment.
Des signaux radio venant de l’espace profond intriguent les scientifiques
En 2018, le télescope dernière génération Chime détectait d’étranges signaux radios émis à des centaines d’années lumières de notre système solaire.
Mais depuis le mois dernier tout s’est accéléré. Trois découvertes viennent d’être faites : des sursauts radios rapides. Certains n’ont été émis qu’une seule fois et d’autres l’ont été de manière répétitive. Ces signaux radios inaudibles ne durent que quelques millisecondes mais ils sont très énergétiques. Pour le moment – et depuis 2018 – les scientifiques restent très circonspects quant à l’origine de ces sursaut rapides.
Jour de gloire pour les astronomes du dimanche
Vous aimez l’astronomie, vous êtres fascinés par les trous noirs, mais vous n’avez pas de télescope géant dans votre jardin ?
Une équipe d’astronomes européens vient d’avoir une idée qui pourrait vous plaire. En effet, ces derniers viennent de lancer un projet de science participative (LOFAR Radio Galaxy Zoo) en permettant à tous les internautes de scruter les données obtenues par le radiotélescope géant LOFAR et mettre en évidence des trous noirs supermassifs. Ce n’est pas la première fois que des astronomes impliquent le public dans leurs recherches.
Voici le tutoriel pour mieux comprendre comment aider les astronomes et débusquer les trous noirs :
Pour participer au projet LOFAR Radio Galaxy Zoo
En bref…
- La mathématicienne Katherine Johnson est décédée le 24 février 2020, à l’âge de 101 ans. Très connue outre Atlantique, elle a notamment oeuvré sur des missions spatiales et notamment Apollon 11, qui a permis aux Américains d’être pour l’éternité les premiers hommes sur la Lune.
- La mission martienne InSight a permis d’en apprendre beaucoup plus sur le sous-sol martien. Ce dernier aurait des similitudes avec la géologie du massif vosgien.
Par P.T
Première injection d’hydrogène dans le réseau de transport de gaz de GRTgaz
Les premières molécules d’hydrogène ont été injectées « avec succès » le 20 février, se félicite GRTgaz, qui rappelle dans un communiqué qu’il s’agit « d’une étape majeure dans le développement de solutions de décarbonation du gaz et de ses usages, du stockage d’énergie et de synergies entre réseaux gaz et électriques ».
Jupiter 1000 est le premier démonstrateur français de la technologie de Power to Gas (de l’électricité au gaz, ou P2G en initiales anglaises), à l’échelle industrielle, raccordé au réseau de transport.
Jupiter 1000 va permettre de valoriser les excédents d’électricité renouvelable, grâce aux capacités massives de stockage et de transit des infrastructures gazières existantes, rappelle GRTgaz. L’électricité en surplus sera en effet convertie en hydrogène par deux électrolyseurs mais aussi en méthane de synthèse par le biais d’un réacteur de méthanation et d’une structure de capture de CO2 à partir de fumées industrielles voisines. L’installation, de 1 MWe, permettra de produire jusqu’à 200 m3 d’hydrogène par heure et 25 m3/h de méthane. Sa capacité de production sera ainsi de quelque 5 millions de kWh d’énergie sur trois ans. Parmi les partenaires du projet, McPhy a fourni les électrolyseurs, de 0,5 MWe chacun, l’un alcalin et l’autre PEM (Proton exchange membrane). La CNR livrera l’électricité en surplus à partir de ses parcs éoliens et solaires. Leroux & Lotz s’occupe du CO2 pour la méthanation, laquelle est réalisée par le CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives) et Khimod.
Le lancement opérationnel de l’installation est d’autant plus important qu’il va aussi permettre aux opérateurs français d’infrastructures gazières de poursuivre et valider leurs travaux d’étude sur le volume d’injection soutenable par les infrastructures. Ces derniers estiment, dans un rapport sur les conditions techniques et économiques d’injection d’hydrogène dans les réseaux de gaz naturel remis en juin 2019 au Ministère de de la Transition écologique et solidaire dans le cadre du Plan de déploiement de l’hydrogène pour la Transition écologique, que les infrastructures gazières peuvent « accepter dès à présent un taux de 6 % en volume d’hydrogène en mélange et jusqu’à 20 % à plus long terme avec des coûts d’adaptation modérés ».
Jupiter 1000 doit ainsi permettre à l’ensemble des partenaires industriels du projet (CEA, CNR, Khimod, Leroux & Lotz, McPhy, Port de Marseille Fos, RTE, Teréga et GRTgaz) de tester le fonctionnement de l’installation et des équipements, d’évaluer l’impact de l’hydrogène sur les réseaux et son usage dans un process industriel, ainsi que de consolider l’étude économique sur la base des performances constatées, contribuant à l’émergence d’une filière Power to Gas en France.
Les prochaines semaines seront consacrées à l’optimisation du fonctionnement de l’ensemble de la chaîne de production, compression-injection, avant d’entamer les tests de performance et les analyses d’optimisation technico-économiques de l’installation, indique GRTgaz dans un communiqué publié à cette occasion.
Si le lancement de Jupiter 1000 constitue une première pour le réseau de transport de gaz, le réseau de distribution de gaz de GRDF expérimente déjà l’injection de l’hydrogène avec le démonstrateur GRHYD, inauguré en juin 2018 à Cappelle-la-Grande, près de Dunkerque, dans le Nord. Après avoir démarré avec 6 % d’injection d’hydrogène dans le réseau, l’installation est passée en 2019 à un taux de 10 % et a validé le principe d’un passage à 20 % d’hydrogène en volume dans le réseau de distribution. Ici encore, c’est l’utilisation des ressources « périssables » du futur parc éolien en mer de Dunkerque qui sont visées à terme.
Photo de Une : GRTgaz/Jérôme Cabanel
Techniques de l’Ingénieur est partenaire des JNI 2020
Devenu un véritable événement annuel de référence, les Journées Nationales de l’Ingénieur, organisées par l’IESF (Ingénieurs et Scientifiques de France), réunissent chaque année près de 14 000 participants (élèves, jeunes diplômés, ingénieurs en activité, professeurs, acteurs économiques, décideurs politiques et grand public) dans toutes les régions de France.
Les JNI 2020 aborderont et mettront en scène :
• Les technologies les plus avancées en matière de développement durable ;
• Le métier d’ingénieur et sa formation, porte-parole d’une vocation d’avenir en faveur du développement durable ;
• L’engagement des ingénieurs pour le développement durable et économique.
Dans toute la France, plusieurs événements labellisés JNI et WED (World Engineering Day) seront proposés au public :
• Pour comprendre : des conférences, tables rondes, séminaires, colloques ;
• Pour découvrir : des démonstrations, expositions, visites d’entreprises, journées portes ouvertes ;
• Pour récompenser : des hackathons, concours, trophées, remise de prix ;
• Pour échanger : des afterworks, cocktails networking.
Une dimension sociale
Les JNI 2020 valorisent la communauté des ingénieurs et scientifiques en intégrant des dimensions sociales et environnementales à leurs actions pour :
• ENCOURAGER les ingénieurs à s’engager, à entreprendre et innover afin d’agir pour le développement durable ;
• PROMOUVOIR les métiers et les valoriser aux yeux du grand public et des décideurs, pour susciter des vocations et générer de l’employabilité ;
• RASSEMBLER les membres d’un métier aux multiples facettes ;
• RENFORCER chez les ingénieurs le sentiment d’appartenance à un corps professionnel engagé dans les grandes transformations liées aux transitions numériques et environnementales.
Tous ces événements seront organisés avec l’aide des IESF régionales, des associations d’alumni membres d’IESF et des partenaires des JNI avec pour objectif commun de parler des métiers et des réalisations des ingénieurs en faveur du développement durable.
Si vous souhaitez en savoir plus sur les Journées Nationales de l’Ingénieur et assister à un des nombreux événements repartis sur le territoire, rendez-vous sur le site officiel des JNI 2020.
Comment allier intensification des procédés et efficacité énergétique ?
L’intensification des procédés dans le secteur de la chimie consiste, pour le dire vite, à faire plus avec moins. Comment ? D’abord par le développement de méthodes, de techniques et d’appareils adaptés, la conception de procédés plus compacts… permettant d’obtenir des rendements plusieurs fois supérieurs à ceux des procédés conventionnels. On est là dans l’innovation technologique pure et dure.
Mais l’intensification des procédés ne doit pas s’absoudre des enjeux environnementaux actuels. Cela se manifeste à plusieurs niveaux.
Au niveau écologique d’abord, la mise au point de procédés plus sûrs, moins consommateurs d’énergie, et également moins polluants, de matières premières et de solvants, constitue le cœur des enjeux.
Au niveau technologique, il va s’agir de limiter tous les processus physiques de transferts de chaleur ou de matière qui ralentissent la synthèse chimique et diminuent son efficacité. Pour ce faire, des procédés innovants se sont imposés sur :
- la structuration interne des équipements ;
- la simulation des procédés ;
- la mise en place d’une production en continu ;
- la possibilité pour les industriels de produire eux-mêmes certains produits par l’intermédiaire de petites unités de production.
Une économie de la miniaturisation
Mais les enjeux sont également d’ordres économique et sociétal. En effet, l’intensification des procédés permet de développer de nouveaux modèles économiques, par exemple en miniaturisant les réacteurs : cela permet la diminution de la durée et du coût des phases de conception et d’industrialisation d’un procédé. Cet exemple, en amont de la phase industrielle à proprement parler est celui qui va générer le plus d’économies.
Un autre modèle économique de plus en plus intéressant pour les industriels est le développement sur site de la production de certains gaz très utilisés dans certaines activités. La possibilité de les produire sur place permet d’économiser des coûts de transport évidents, mais également de stockage.
L’intensification, réponse aux enjeux sociétaux que porte l’industrie chimique ?
Au niveau sociétal enfin, l’intensification des procédés profite au consommateur final. Les innovations techniques et économiques participent à une amélioration de la compétitivité de ce secteur industriel : diminution des étapes de conception et d’industrialisation, accélération de la mise sur le marché de nouvelles molécules et de nouveaux produits plus performants…
L’intensification des procédés est donc, pour toutes ces raisons, un mouvement fondamental dans l’évolution du domaine des procédés. Fondamental aussi car le développement de systèmes micro-structurés, par exemple, a ouvert la voie au développement en masse de nouveaux produits : nanoparticules, capsules…
Aujourd’hui, la question de l’intensification d’un procédé se trouve donc dans une problématique plus large que la simple performance technologique de synthèse chimique. Pour prendre en compte ces nouveaux enjeux, les industriels doivent investir sur des outils d’analyse du cycle de vie adaptés aux projets de la chimie. Et en systématiser l’usage.
Enfin, au niveau territorial aussi, l’industrie des procédés s’associe pleinement aux problématiques de gestion de l’environnement – majoritairement en ce qui concerne les ressources en eau, la gestion des déchets, des effluents – afin de développer des synergies locales.
Par P.T
L’ADEME mise sur le monde agricole pour réduire les émissions de GES
« Cela faisait 10 ans que l’ADEME n’était pas venue au salon de l’agriculture, partage Arnaud Leroy, PDG de l’ADEME. Nous avons des convictions fortes à partager : la transition écologique passera par les territoires et la question alimentaire, donc agricole, est essentielle à la transition écologique ». En effet, l’agence rappelle que l’alimentation, à travers le secteur agricole et l’agroalimentaire, est à l’origine de 25 % des émissions françaises de gaz à effet de serre. En ce sens, l’agence souhaite installer un dialogue avec les consommateurs et les producteurs agricoles.
Le monde agricole et les énergies renouvelables
« Le monde agricole est particulièrement important pour le développement des énergies renouvelables », prévient Arnaud Leroy. En effet, 80 % des éoliennes sont installées en terres agricoles. Hors forêts, plus de 20 % de la production d’énergies renouvelables françaises est liée au monde agricole. « En ajoutant la forêt, on monte tout de suite à 60 %, donc la mobilisation du monde agricole au sens large, y compris forestier, est essentielle dans l’atteinte des objectifs de développement des ENR du pays », complète Arnaud Leroy.
Via les investissements d’avenir, l’ADEME accompagne quelques projets innovants sur l’agrivoltaïsme. L’agence soutient par ailleurs le développement du gaz « vert ». Son scénario national « 100% gaz vert en 2050 » a été décliné en région Aquitaine. « La plus grande région agricole d’Europe peut être autonome en gaz à l’horizon 2050 en mobilisant de façon intelligente les ressources sur le territoire, aussi bien pour la production énergétique que pour la mobilité », assure Arnaud Leroy. L’agence aide à l’émergence de la filière biogaz et du gaz renouvelable en France en accordant des subventions, en accompagnant les porteurs de projet et en participant au fonds d’investissement Eiffel Gaz Vert, doté de 200 millions d’euros, aux côtés de GRTgaz.
Réduire les émissions de CO2 du monde agricole
Tous les scénarios visant la neutralité carbone en 2050 montrent l’importance de la contribution du secteur agricole et agroalimentaire dans son ensemble. « C’est le seul secteur où l’on peut jouer à la fois sur les trois leviers de lutte contre le changement climatique : la réduction des émissions, la substitution des ressources fossiles et le stockage du carbone dans les sols et la biomasse », détaille Jérôme Mousset, chef du service Agriculture et Forêt à la Direction Productions et Énergies Durables de l’ADEME.
« Il est important que l’on avance sur les réflexions et les études car ces sujets vont être au cœur de la négociation de la PAC, complète Arnaud Leroy. Il y a un coup à jouer pour tout l’élevage français, car il est démontré que les prairies sont des puits de carbone vraiment de grande intensité, beaucoup plus que toutes les cultures végétales. »
Aider les filières à s’adapter au changement climatique
L’agence développe les référentiels du label bas-carbone afin de déployer les bonnes pratiques de stockage du carbone dans les sols. « Ce label permet de garantir la quantité de carbone économisé par un acteur et de le valoriser sur le marché de carbone volontaire auprès d’acteurs privés qui souhaitent compenser leurs émissions », détaille Arnaud Leroy.
L’ADEME travaille par ailleurs avec les filières agroalimentaires dans des démarches d’éco-conception avec l’appel à projets « Green go ». La stratégie consiste à améliorer la performance environnementale de leurs produits. Un nouvel appel est en cours jusqu’au 17 juillet 2020.
En parallèle, l’agence a monté un guide pilote pour préparer trois filières à l’évolution climatique : la filière bovine viande en Bourgogne, la filière pomme en Pays de la Loire et la filière maïs en Occitanie. « L’idée de ce guide est d’avoir une stratégie de filière : essayer de caractériser l’évolution du climat dans une région à travers des indicateurs pour voir les problèmes générés sur la production et le cycle de l’eau, explique Jérôme Mousset. Ensuite, nous mettons en place des groupes de travail avec des agriculteurs et des professionnels pour élaborer un plan d’actions concret ». D’autres sujets sont à venir. « En PACA, de nouvelles filières, comme la vigne, demandent de plus en plus à avoir accès à l’irrigation ; il y a une réflexion à avoir sur les cépages, l’évolution des AOP et AOC », ajoute Arnaud Leroy.
Des vaisseaux sanguins artificiels ? C’est possible grâce à l’ingénierie tissulaire
Le collagène est une famille de protéines structurales et c’est de loin la famille de protéines la plus abondante chez les mammifères. Le plus souvent présent sous forme de fibres au sein de la matrice extracellulaire, le collagène constitue en quelque sorte l’échafaudage du corps humain.
Une démarche innovante
En ingénierie tissulaire, il a subsisté pendant longtemps un vieux dogme : celui qui consiste à prendre des cellules et à les disposer sur un échafaudage synthétique pour obtenir un tissu.
“Cette vision était celle de chimistes qui voyaient le rôle du matériau comme central. Or, on sait que même les matériaux synthétiques les plus inertes comme le PTFE provoquent une réaction inflammatoire”, affirme Nicolas L’Heureux, de l’unité « Bioingénierie Tissulaire » de l’INSERM/Université de Bordeaux.
La démarche suivie par son équipe et décrite dans le journal Acta Biomaterialia est particulièrement innovante : “Nous voulions concevoir des tissus ayant une bonne résistance mécanique sans avoir à utiliser un échafaudage synthétique”, explique le chercheur.
Pour cela, ils ont mis au point un procédé permettant de produire beaucoup de matrice extracellulaire riche en collagène, à partir de cellules spéciales, les fibroblastes. Après deux mois de mise en culture, ils récoltent de grands feuillets de matrice extracellulaire qui sont ensuite découpés en rubans.
Ces rubans sont très flexibles, ils peuvent être enroulés ou torsadés pour former des fils. À partir de ces fils, on peut ainsi accéder aux méthodes d’assemblage de l’industrie textile : le tissage, le tricotage, le tressage, le crochet, etc.
Des vaisseaux sanguins artificiels biocompatibles
Cette équipe de l’INSERM travaille sur plusieurs applications. La plus importante de toutes concerne la fabrication de vaisseaux sanguins à partir de ces fils tissés conçus entièrement à base de matrice extracellulaire.
Les vaisseaux sanguins synthétiques qui existent fonctionnent plutôt bien pour des diamètres assez gros. Néanmoins, la seule solution viable actuellement lorsqu’il s’agit de remplacer des vaisseaux de 2 à 3 mm consiste à prélever une artère saine d’un patient et de la réimplanter.
Nicolas L’Heureux en donne la raison : “Quand le corps humain détecte un corps étranger, il va d’abord essayer de le détruire. Si cela ne fonctionne pas, il va l’isoler du système immunitaire en l’enrobant de collagène (…) Imaginons une prothèse vasculaire synthétique : si ce phénomène se produit à l’intérieur du vaisseau sanguin artificiel, le corps fabriquera du tissu cicatriciel qui viendra boucher le vaisseau si son diamètre est petit.”
Et il ajoute : “Disposer d’un vaisseau préemballé serait fantastique, car aujourd’hui personne n’est prêt à prendre le risque pour un pontage cardiaque avec des produits synthétiques qui fonctionnent mal.”
Un potentiel important
Le remplacement de vaisseaux dégradés et la fabrication de tubes pour les pontages cardiaques ne sont pas les seules applications envisageables. Il n’existe pas encore, par exemple, d’œsophages artificiels.
Nicolas L’Heureux explique : “Lors d’une ablation d’une partie de l’œsophage, la solution la plus courante consiste à recoudre directement l’estomac sur la partie restante. Dans 10 % des cas il y a des complications (…) et le tissu que nous développons permettrait potentiellement de résoudre ce problème. Il a en plus l’avantage d’être modulable par le corps humain qui serait peut-être même capable de reconstruire le tissu musculaire autour de ce produit d’ingénierie tissulaire.”
Même si la mise en culture des fibroblastes ne pose pas de problème et que l’utilisation de procédés automatiques du textile ouvre la voie vers une production industrielle, le chemin est encore long avant de voir apparaître de tels “textiles humains”.
En effet, ces textiles à base de collagène doivent encore être testés sur des animaux avant la mise en place d’essais cliniques. Il faudra enfin prouver qu’il est possible de les produire suivant les bonnes pratiques de fabrication (BPF) des dispositifs médicaux.
Photo Une : /Nicolas L’Heureux
La sobriété énergétique, nouveau mantra du génie des procédés
La réduction de la facture énergétique des procédés de transformation de la matière et des procédés énergétiques est une préoccupation importante aujourd’hui chez les industriels. Non seulement car elle est source de compétitivité, mais aussi parce que la pression écologique est plus forte que jamais.
En France, les industries des transports, des matériaux, et de l’énergie constituent des secteurs dont la croissance reste forte. Pour rester compétitifs, ces derniers doivent aujourd’hui construire des modèles industriels durables. Allègement des matériaux pour le transport, développement de procédés énergétiques plus efficaces, de batteries plus performantes, d’isolation plus efficace pour le tertiaire… Les axes d’améliorations sont nombreux, mais la problématique n’en reste pas moins complexe pour les entreprises, qui doivent faire évoluer leur mode de fonctionnement vers l’autonomie énergétique et la neutralité carbone, idéalement.
Au milieu de ça, le génie des procédés propose des solutions innovantes et très diversifiées qui permettent de solutionner certaines problématiques de sobriété énergétique. A plusieurs titres, le développement de procédés innovants de production de biocarburants fait partie de ces solutions.
Une volonté politique
Il y a quelques jours, le 20 février, le département américain de l’agriculture annonçait sa volonté de porter à 30% – contre 10% aujourd’hui – la part des biocarburants mélangée dans le pétrole brut d’ici à 2050. Une décision forte qui montre la montée en puissance inexorable des biocarburants pour le transport, dans un pays qui a pourtant tourné le dos aux accords de la COP21. En France également cet intérêt se matérialise très concrètement. Le 27 janvier dernier, la ministre de la Transition énergétique et solidaire, Elisabeth Borne, lançait un appel à manifestation d’intérêt pour la production de biocarburants pour l’aéronautique. Des géants français comme Total, Airbus, Safran et Suez planchent déjà sur les contours d’une filière française depuis plusieurs années. Les objectifs affichés – les biocarburants devront représenter 2% des carburants utilisés dans le transport aérien en France en 2023, puis 5% en 2030 – peuvent paraître modestes, mais un mouvement s’est enclenché.
Aujourd’hui, en France, la production de bioéthanol destiné à un usage carburant représente 3% de la surface agricole globale de céréales et de plantes sucrières.
3 biocarburants du futur
Les filières des biocarburants essence (Ethanol, ETBE, bioessence de synthèse, biocarburants de deuxième génération) et des biocarburants gazole (EMAG, biogazole de synthèse) ont ainsi émergé sur le territoire et continuent de se diversifier : les biocarburants du futur sont ainsi déjà en développement, et des procédés innovants font leur apparition.
Par exemple le Futurol, biocarburant issu d’un procédé biochimique de transformation de la biomasse, est arrivé l’année dernière sur les marchés. Ce biocarburant de seconde génération est le fruit de 10 années de développement.
Un autre projet, soutenu par le ministère de la Transition Ecologique et Solidaire, concerne le développement par Total – et 5 autres partenaires – d’un procédé thermochimique de transformation de la biomasse puis de la synthèse Fischer Tropsch pour produire principalement un biogazole et un biokérosène de synthèse.
Enfin, un projet coordonné par Engie, Gaya, concentre ses efforts sur le développement d’un procédé de gazéification/méthanation pour produire un biocarburant gazeux.
Bien sûr, le développement et la mise sur le marché de ces biocarburants, qui permettent à l’industrie des transports de tendre vers un modèle plus écologique, ne sont qu’un facteur de sobriété énergétique parmi d’autres pour l’activité industrielle. Mais ils illustrent une tendance vers l’intégration de ces solutions dans le mix global. Et la possibilité de continuer à investir en recherche et développement pour mettre au point des procédés encore plus performants.
Par P.T
Revue du Web #131 : les vidéos les plus étonnantes du mois
Un électrolyseur pour détecter les pesticides.
Dans une vidéo, un internaute prétend prouver que l’eau minérale de la marque Cristaline est pleine de pesticides. Cette expérience électrochimique génère l’apparition de dépôts dans la solution. En effet, au bout de quelques secondes, l’eau dans la tasse de droite se trouble et prend une couleur brunâtre. Que prouve réellement cette expérience électrochimique ? D’après les spécialistes, ce test ne révèle rien d’autre que la présence de sels minéraux conducteurs.
Le robot qui imite votre écriture
A l’instar de l’illustre écrivain américain, le robot Hemingway écrit à la main en utilisant un stylo, à la manière d’un humain. Dans la pratique, il suffit de fournir à la machine un modèle, puis celle-ci utilise un algorithme de « machine learning » pour imiter, quasiment à la perfection, la manière d’écrire de son auteur. Au-delà de ses talents d’imitation, Hemingway est capable de composer un texte en 2 minutes alors qu’un individu lambda mettrait quinze minutes.
La France imprime de la peau en 3D
Les sociétés Poietis et LabSkin Creations ont misé sur cette technologie pour concevoir des tissus cutanés humains qui pourraient être utilisés pour répondre aux problèmes de greffes.
La France compte quelques initiatives intéressantes en matière de bio-impression et plus particulièrement d’impression 3D de peau humaine.
Un robot autonome pour garer les voitures
Grâce à un système de robot-voiturier, plus de perte de temps pour chercher une place disponible ou retrouver son véhicule. Bien plus qu’un assistant voiturier, le dispositif révolutionne non seulement la gestion des véhicules sur un parking, mais il permet également de réaliser de véritables économies d’espace grâce à la gestion en multifile des voitures.
Organiser un événement grâce à l’impression 3D
Pour assurer une sécurité maximale, la police a pu établir ses plans tactiques sur un modèle imprimé en 3D du stade Hard Rock Stadium en Floride. Réalisée par des étudiants de la Florida International University, la maquette mesure 1,2 par 1,5 mètres et a nécessité 3 500 heures d’impression.
La plus grande piscine du monde survolée en drone
Au Chili, la piscine d’Algarrobo possède une plage d’un kilomètre de long et contient l’équivalent de 80 piscines olympiques. Survolée par drone, ses dimensions sont encore plus impressionnantes. Construite juste à côté de l’Océan Pacifique, l’eau calme est chauffée à 26 °C toute l’année et les touristes adeptes de sports nautiques affluent.
Le Graal quantique : des calculateurs moins sensibles au «bruit»
Les ordinateurs quantiques ne remplaceront pas nos PC de bureau conçus pour des usages domestiques ou professionnels (bureautique, messagerie…). Par contre, ils seront capables de résoudre des problèmes nécessitant une fantastique puissance de calcul.
Mais paradoxalement, nos ordinateurs « classiques » font moins d’erreurs que les calculateurs quantiques alors qu’ils n’intègrent qu’une mémoire assez limitée et un processeur plus ou moins puissant !
La faute à la « décohérence quantique ». C’est l’un des talons d’Achille des ordinateurs. Depuis plus de 20 ans, des recherches sont menées pour développer un mécanisme de correction d’erreurs : en 1997, Alexeï Kitaev, professeur russo–américain de physique à l’Institut de technologie de Californie et chercheur chez Microsoft, avait déjà travaillé sur ce sujet en s’inspirant de la topologie, branche des mathématiques.
Les technologies quantiques sont en effet extrêmement sensibles aux interactions avec leur environnement (ce qu’on appelle « le bruit ») et les qubits tendent à perdre très rapidement leurs propriétés quantiques (superposition d’états, intrication…). C’est ce que l’on appelle la « décohérence quantique ».
Des enjeux de compétitivité et de souveraineté
D’où l’idée de concevoir des calculateurs quantiques tolérants aux défauts. Appelés aussi « LSQ » – pour « Large Scale Quantum » – , ils ont la lourde tâche d’effectuer des calculs et des modélisations de plusieurs ordres de grandeur plus complexes que ce qui est aujourd’hui envisageable, même avec les supercalculateurs traditionnels.
Pour relever ce défi, un LSQ doit être composé de milliers de qubits logiques. Grâce à un nombre élevé de qubits et à un faible niveau de bruit, ces machines devraient être capables de dépasser de plusieurs ordres de grandeur nos capacités de calcul actuelles.
Ce challenge est à la hauteur des enjeux de compétitivité (temps de mise sur le marché de produits ou applications) et de souveraineté (renseignement et dissuasion).
Mais les processeurs quantiques actuels sont encore petits et sujets à des erreurs. Différents travaux sont menés à travers le monde pour mettre au point un processeur quantique de plus grande taille.
En octobre 2019, une équipe internationale de scientifiques d’Australie, du Japon et des États-Unis avait annoncé avoir conçu un prototype de processeur quantique à grande échelle intégrant la lumière laser.
Des cristaux, spécialement conçus, convertissent la lumière laser ordinaire en une sorte de lumière quantique. Appelée « lumière comprimée », elle est ensuite « tissée » en un état de grappe par un réseau de miroirs, de séparateurs de faisceau et de fibres optiques.
Algorithmes quantiques
D’autres pistes sont étudiées pour construire des « pièges à ions ». Les technologies à base d’ions piégés (maintenus sous vide et suspendus par suspension électrostatique) sont également extrêmement intéressantes, pour d’autres raisons : les qubits produits sont de très bonne qualité.
Enfin, des recherches sont menées (notamment par le Los Alamos National Laboratory) pour concevoir des algorithmes permettant d’effectuer des tâches utiles sur des ordinateurs quantiques « bruyants ».
Pour simplifier, les algorithmes « classiques » sont des listes d’opérations que doit réaliser un ordinateur dans un ordre précis. Un peu comme lorsqu’on suit à la lettre une recette de cuisine.
À la différence de ces algorithmes « classiques », les algorithmes « quantiques » seraient mieux adaptés aux défauts particuliers des calculateurs quantiques. Ils seraient en effet capables d’exécuter davantage d’étapes de traitement dans le délai imparti avant que la fameuse décohérence n’impacte le résultat.
Pour l’instant, il ne s’agit que de travaux en laboratoire. Les calculateurs LSQ ne seraient pas attendus avant 2030.
Quelle place pour le génie des procédés dans l’usine du futur ?
L’usine du futur commence à se conjuguer au présent. Parmi les innovations technologiques – IA, robotique, cobotique, maintenance prédictive… – le domaine des procédés ne fait pas exception. Dans quel but ? La sobriété. Il va s’agir essentiellement de limiter les quantités de matières premières et d’énergie nécessaires aux dits procédés. Mais pas que. La problématique des déchets, la durabilité sont aujourd’hui des facteurs impossibles à négliger pour évaluer l’efficacité d’un procédé.
Un point important est l’extension récente à des dimensions de plus en plus étendues du génie des procédés : de l’échelle nano aux parcs industriels, en passant par les réacteurs, l’usine… Ces dimensionnements adaptés aux besoins sont un défi en soi pour le développement d’usines éco-conçues ayant un impact environnemental le plus faible possible. Mais comment qualifier et quantifier l’impact environnemental des procédés, sur l’air, l’eau, l’environnement, et in fine sur le réchauffement climatique et la pollution ? Comme d’autres process, les retombées environnementales réelles des procédés ont longtemps été sous-estimées, notamment par manque de moyens. C’est moins le cas aujourd’hui. L’analyse du cycle de vie des procédés, qui permet de considérer de manière globale un procédé, a permis de développer une nouvelle vision, celle de «cycle de vie de la matière». Qui a donc remplacé la vision procédé-produit, pas suffisamment représentative de la réalité.
L’intensification des procédés a besoin de l’usine du futur
Cette approche «cycle de vie de la matière» n’est pas nouvelle, mais l’usine du futur permet de lui donner une réalité plus palpable. Et plus centralisée, puisque tous les axes d’innovations se trouvent regroupés en son sein :
- optimisation énergétique ;
- économie de matière ;
- réduction des rejets ;
- sécurisation des installations ;
- valorisation des sous-produits et de la chaleur fatale ;
- recherche et développement continus de nouveaux procédés.
Les procédés, qui deviennent doucement mais sûrement des bioprocédés, muent. Leur intensification via des microréacteurs, ou des réacteurs microstructurés a conduit à un changement dans les technologies, permettant d’assurer une production plus localisée et contrôlée.
Gestion fine de la production
Le développement de capteurs de qualité et de quantité, tout au long des lignes de production, permet de tenir compte en temps réel de la variabilité des ressources, d’adapter finement les produits en fonction des demandes des consommateurs (ce qui s’avère très utile dans le secteur très concurrentiel qu’est l’agroalimentaire par exemple).
Cette nouvelle approche des procédés s’illustre d’un bout à l’autre de la chaîne de fabrication/production.
Cela concerne aussi la gestion intelligente des déchets, c’est-à-dire leur valorisation (en biocarburants par exemple). En les intégrant au bilan global de matière dès la conception du produit, les déchets deviennent une matière première à proprement parler. La problématique de leur valorisation devient ainsi partie intégrante du processus de production. Cela n’est pas nouveau, mais la conception de l’usine du futur permet d’optimiser cette approche.
Au final, l’intégration du génie des procédés dans l’usine du futur permet de repenser totalement des processus existants en les intégrant dans des concepts de production globaux. Cela permet d’avoir une vision beaucoup plus réaliste de leur impact réel, d’un bout à l’autre de la chaîne de production. Cela permet également de mieux penser ces procédés de manière cyclique, donnant aux déchets le statut de matières premières. Enfin, la possibilité de calibrer en temps réel les paramètres des procédés (quantité, qualité, personnalisation) permet de les faire évoluer plus facilement dans le temps et d’être toujours plus en phase avec l’innovation.
En une phrase, tout ce qui concerne l’innovation en génie des procédés se matérialise à travers l’usine du futur.
A lire également : L’usine du futur pour les industries de procédés, édité par la Société Française de Génie des Procédés.
Par P.T
Génie des procédés : l’efficacité énergétique au cas par cas
Comment réduire les émissions de gaz à effet de serre liées aux procédés industriels ? C’est une question que se posent les ingénieurs depuis longtemps. D’après l’Ademe, les procédés constituent des «opérations unitaires permettant de réaliser la production industrielle».
Ces opérations unitaires sont très nombreuses. Elles peuvent être assez homogènes au sein d’un même secteur mais diffèrent du tout au tout d’un secteur à l’autre. Toujours d’après l’Ademe, 66 % de l’énergie consommée par l’industrie concerne les procédés. La marge de manoeuvre est donc conséquente.
Quelles sont les variables ?
La quantité d’unités à produire ainsi que l’énergie dépensée pour produire une unité sont les deux facteurs qui permettent d’évaluer l’impact énergétique d’un procédé industriel.
Sans s’étendre ici sur les modalités d’évaluation énergétique d’un procédé, il est évident que ceux-ci peuvent mettre en jeu de nombreux matériaux, transportés, transformés, façonnés, assemblés… Il n’est donc pas pertinent de comparer les différents procédés industriels utilisés dans tous les secteurs qui viennent en premier à l’esprit : agro-alimentaire, pharmacie, chimie, hydrocarbures…
Par contre, la combinaison de trois actions – ensemble ou séparément – permet de mettre en avant les facteurs influant sur la baisse de la consommation énergétique d’un procédé donné :
- La baisse des quantités produites (à mode de production constant) ;
- Le transfert d’activité de l’industrie lourde vers l’industrie secondaire ;
- Une amélioration des procédés de production des matériaux bruts, intermédiaires ou finis.
De fait, l’analyse des procédés industriels repose sur une juste évaluation de ces trois phénomènes. Au-delà, l’intensité énergétique des procédés, au niveau national, dépend en grande partie des orientations de la politique industrielle. Ainsi, un pays peut très bien s’employer à baisser, via l’investissement et l’innovation, son intensité énergétique globale en ce qui concerne les procédés industriels les plus polluants. Si dans le même temps, ce pays décide de développer de nouveaux secteurs industriels, le bilan énergétique global peut s’en trouver nul. Chaque contexte est donc à étudier au cas par cas.
A chaque secteur son contexte
En France, les secteurs pour lesquels les possibilités d’améliorations sont les plus importants sont l’industrie chimique, l’agro-alimentaire, l’industrie pharmaceutique, la production et transformation de l’énergie… En fait, cela concerne des activités – importantes – de transformation de la matière, les plus en amont dans le process industriel.
De fait, le génie des procédés revêt une importance cruciale aujourd’hui, surtout dans sa capacité à améliorer le bilan de process trop énergivores ou polluants.
Les démarches d’amélioration des procédés sont généralement étalées dans le temps. Et complexes. Il est d’abord nécessaire d’avoir une connaissance fine des performances des équipements énergivores existants et qui sont utilisés par les différents procédés considérés.
En premier lieu, l’optimisation du fonctionnement des équipements existants reste le meilleur biais pour réduire la consommation énergétique des procédés.
Ensuite, la récupération de chaleur est un moyen également très efficace d’améliorer ses procédés. Par exemple, la mise en cascade des procédés, qui consiste à récupérer la chaleur en sortie de certains procédés pour en alimenter d’autres, permet d’obtenir de très bons résultats.
Le remplacement des équipements existants par des équipements plus performants est une approche qui est également usuelle, bien que souvent onéreuse.
Enfin, la rupture technologique. Elle consiste à choisir des principes physiques plus performants pour un procédé donné.
L’amélioration des procédés, au niveau énergétique, est donc une entreprise complexe, où chaque cas est unique.
Par P.T
Fabrication additive métallique : des ultrasons pour renforcer la structure des alliages obtenus
La fabrication additive métallique par dépôt sous énergie concentrée (DED) permet d’obtenir des pièces de grande dimension, ou de faire de la réparation, de manière rapide. En contrepartie, cette technologie produit des pièces dont la microstructure et l’état de surface sont plus grossiers qu’avec les technologies de fusion sélective par laser (SLM).
DED : une microstructure anisotrope
Lorsque l’on observe au microscope les pièces obtenues par DED, on remarque la présence de grains de structure colonnaire. Cette particularité est valable pour la plupart des alliages métalliques et est liée à une faible germination des grains, inhérente au procédé. Ceci a 3 conséquences :
- forte anisotropie ;
- performance mécanique réduite ;
- tendance à la fissuration à chaud.
Effets des ultrasons sur la microstructure
Les travaux de cette équipe de chercheurs australiens avaient donc pour objectif de remplacer ces gros grains à la structure colonnaire par des grains fins de structure équiaxiale.
Ils expliquent dans une publication récente pour le journal Nature, avoir réussi à mettre à profit leur longue expérience dans le raffinement de grains des alliages légers par ultrasons. Dans le cas présent, ils ont ainsi utilisé une sonotrode permettant d’obtenir des vibrations à 20 kHz.
L’analyse de la microstructure des échantillons en Ti-6Al-4V (TA6V) obtenus par DED avec et sans ultrasons met en évidence des différences importantes. Les résultats de la comparaison des clichés de microscopie optique en lumière polarisée montrent que la présence des ultrasons permet d’obtenir des grains de forme équiaxiale d’une taille de 100 µm (voir Fig 1).
La différence est plus que notable : sans ultrasons, la taille de ces grains dépasse plusieurs millimètres de longueur pour 0,5 mm de largeur.
Des résultats encourageants
Concrètement, l’utilisation d’ultrasons permet d’améliorer considérablement les propriétés mécaniques. Les essais que les chercheurs ont effectués sur le TA6V indiquent une augmentation de 12 % de la limite d’élasticité et de la résistance à la traction.
Mais il y a plus important encore : leur approche est applicable à d’autres alliages métalliques comme l’Inconel 625. Si le gain de propriétés mécaniques n’est pas précisé, l’effet sur la microstructure semble en revanche similaire.
L’adaptation de cette technique aux procédés industriels pourrait permettre d’obtenir des alliages de structure suffisamment performants pour être utilisables dans les industries les plus exigeantes.
Une aridité renforcée transformera les paysages
« Les écosystèmes ne répondent pas de façon linéaire à la hausse de l’aridité : un petit changement de celle-ci va, à un moment donné, entraîner des grands changements au niveau des écosystèmes », prévient Nicolas Gross, chercheur à INRAE au sein de l’Unité de recherche « Ecosystème Prairial ». Une nouvelle étude parue dans Science, auquel cet expert de l’écologie des zones arides a participé, met ainsi en évidence trois seuils de transition des zones arides.
Une même réponse des végétations selon l’aridité sur toute la planète
« L’aridité est un indice compris entre 0 et 1 qui met en relation la pluviométrie et l’évapotranspiration, traduisant la demande en eau des plantes, rappelle Nicolas Gross. Les milieux arides ont une aridité qui dépasse 0,6, ce qui correspond à des végétations que l’on commence à observer dans le sud de la France en milieu méditerranéen, puis les steppes comme en Patagonie, les savanes africaines, les maquis et des milieux buissonnants, des forêts sèches et enfin, les déserts. »
L’étude a synthétisé des données sur la réponse des écosystèmes à l’aridité à l’échelle de la planète. « L’ensemble des 20 attributs étudiés répondent en trois seuils d’aridité, partage Nicolas Gross. Ces attributs comprennent par exemple la biomasse produite chaque année par les plantes, les réponses écophysiologiques des plantes, des mesures de la photosynthèse, d’agrégation physique des sols, de biodiversité en microbes comme les mycorhizes et les pathogènes des plantes, des relevés de diversité et d’abondance des plantes… »
Trois seuils d’aridité plutôt qu’une réponse linéaire
Le premier seuil arrive à une aridité de 0,54. Il s’agit d’un déclin brutal de la production végétale. Les plantes commencent alors à être réellement limitées par le manque d’eau. « Lorsque l’on passe de végétations tempérées à des végétations méditerranéennes, les plantes réussissent bien à s’adapter à la sécheresse, car elles vont minimiser la taille de leurs feuilles et maximiser la capacité photosynthétique sous contrainte hydrique, explique Nicolas Gross. Cette stratégie de réduction de la surface foliaire atteint une certaine limite écophysiologique lorsque l’on arrive au premier seuil de 0,54, car les feuilles ne peuvent pas devenir infiniment plus petites ». C’est la transition entre la végétation méditerranéenne vers des végétations plus arides telles que retrouvées au sud de l’Espagne ou dans les paysages de steppes nord-africaines.
Une aridité de 0,69 marque l’arrivée du deuxième seuil, avec de multiples changements sur plusieurs variables du sol. « On observe alors une perte des capacités d’agrégation du sol, une hausse de la sensibilité à l’érosion, une baisse de la fertilité, une baisse de la matière organique dans les sols, une disparition de certains microbes comme les champignons mycorhiziens bénéfiques aux plantes et une augmentation de leurs pathogènes », détaille Nicolas Gross. La troisième phase arrive à 0,8 d’aridité, avec un effondrement de l’écosystème. Il n’y a plus de couverture végétale, le sol devient complètement minéral avec une augmentation de l’albédo ; c’est l’arrivée du désert.
Un scénario catastrophe pour l’avenir
À partir de cette découverte, les chercheurs ont exploré les conséquences d’un accroissement des émissions de CO2 tel qu’observé aujourd’hui, selon un scénario d’émissions de gaz à effet de serre « business as usual ». Dans ce scénario connu sous le nom de GIEC RCP8,5, le monde connaît une augmentation des températures jusqu’à 5°C en 2100. Selon les niveaux d’aridité prédits en 2100, la Terre subit des changements drastiques de végétation et de paysage.
L’étude a ainsi permis d’élaborer une carte de vulnérabilité.
Les grandes zones potentiellement impactées sont l’Afrique subtropicale, l’Asie et le bassin méditerranéen. « Aujourd’hui, 41 % de la surface terrestre sont des zones arides, renseigne Nicolas Gross. Dans ce scénario, 20 % des surfaces terrestres, quelles qu’elles soient, pourraient franchir au moins l’un de ces trois seuils. »
Lévitation acoustique : où en sont les recherches ?
Inventée dans les années 70 par la NASA pour la manipulation d’échantillons liquides sans contact physique, la lévitation acoustique intéresse de nouveau les chercheurs depuis quelques années. Le principe est le suivant : créer une onde acoustique stationnaire afin de piéger un objet dans les airs, comme s’il était maintenu par des doigts invisibles.
Manipulation acoustique de gros objets : toujours un challenge
Jusqu’à il y a peu, on pensait que la taille des objets que l’on pouvait faire léviter par cette technique devait être, au maximum, égale à la moitié de la longueur de l’onde acoustique utilisée. Sachant que les fréquences inférieures à 20 kHz sont audibles par les humains, la longueur d’onde maximale est de 17,2 mm, ce qui limite la taille des objets à 8,6 mm !
Néanmoins, grâce aux travaux dirigés par le professeur Bruce W. Drinkwater de l’université de Bristol, on sait dorénavant qu’il est possible de faire léviter des objets de taille supérieure. Leur record : faire léviter une boule de polystyrène de 2 cm de diamètre avec des ondes de 40 kHz.
À ce jour, leurs recherches se poursuivent, mais n’ont pas encore conduit à la publication de nouveaux résultats. En outre, en fournissant les plans détaillés de la machine qu’ils ont développée, ils ont ainsi permis à d’autres chercheurs à travers le monde de suivre leur voie.
La lévitation acoustique à la portée de la robotique
Voici un exemple particulièrement parlant. L’équipe de Marcel Schuck de l’ETH Zürich vient de dévoiler une pince robotisée capable de manipuler de petits objets par lévitation acoustique. Directement inspirée des travaux de Bristol, cette pince est constituée de deux hémisphères imprimés en 3D et semble particulièrement intéressante pour la manipulation de précision d’objets fragiles.
En effet, grâce à la lévitation acoustique, il est possible de manipuler des objets de forme variée, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser des outillages de précision extrêmement coûteux. Le mouvement de la pièce, déterminé par les ondes acoustiques est ici contrôlé par un logiciel. Marcel Schuck compte faire passer rapidement cette méthode économique au stade de l’industrialisation, d’une part en fournissant des kits de développement pour des clients potentiels, d’autre part par la création d’une startup en 2021.
De la lévitation acoustique à la projection 3D
Voici une application encore plus étonnante, présentée par une équipe internationale, composée de chercheurs de l’université du Sussex, à Brighton, et de Tokyo.
Ils ont réussi une prouesse technique : manipuler de manière extrêmement rapide (4 m/s) et précise une petite bille blanche d’un millimètre de diamètre afin de créer des animations 3D de quelques dizaines d’images par seconde, suffisamment pour tromper l’œil humain.
La lévitation acoustique semble donc avoir un champ d’application très diversifié. Vous désirez vous lancer dans la fabrication de votre propre machine de lévitation acoustique ? Tout est expliqué ici.
Photo de Une : Published by the American Physical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Acoustic Virtual Vortices with Tunable Orbital Angular Momentum for Trapping of Mie Particles par Asier Marzo, Mihai Caleap, and Bruce W. Drinkwater.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.044301
Viande in vitro : un « mythe » ?
Jean-François Hocquette est directeur de recherche à l’Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement (INRAE). Au sein du Département Physiologie animale et systèmes d’élevage, à Saint-Genès-Champanelle, près de Clermont-Ferrand, il est expert de l’élevage et de la viande. Après une étude de référence sur la viande in vitro en 2013, il publie avec Sghaier Chriki, enseignant-chercheur à l’ISARA, en février 2020 une nouvelle revue de la littérature scientifique intitulée Le mythe de la viande de culture dans le journal Frontiers in Nutrition. L’article fait le point sur les avancées scientifiques liées au milieu de culture, aux aspects sanitaires et environnementaux, au bien-être animal, à la législation et à la perception du public.
Techniques de l’ingénieur : Comment cultiver de la viande en laboratoire ?
Jean-François Hocquette : Pour cultiver des cellules souches ou des cellules musculaires, il faut un milieu qui apporte tout ce qui est nécessaire pour que les cellules puissent vivre et se multiplier. Il leur faut de l’énergie, des acides aminés, des hormones et des facteurs de croissance. Le sérum de veau fœtal apporté dans le milieu de culture est précieux, car il est riche en hormones et en facteurs de croissance. Pour récupérer ce sérum, on est obligé de tuer la vache et le veau qu’elle porte. Certaines startups souhaitent développer une industrie dédiée pour produire chimiquement tous ces ingrédients. Finalement, de 2013 à aujourd’hui, il n’y a pas eu de changement majeur malgré les effets d’annonces spectaculaires des startups.
On a donc le droit de faire pousser des cellules aux hormones ?
Cela dépend des pays. Dans l’Union européenne, contrairement aux États-Unis, les implants hormonaux ou promoteurs de croissance sont interdits pour les animaux d’élevage. Ainsi, les fabricants de viande de culture ne sont pas autorisés à ajouter des hormones chimiques ou synthétiques dans le milieu de culture pour remplacer ce sérum de veau. En plus, les cellules de culture ne bénéficient pas de la production naturelle d’hormones chez l’animal, puisque la viande de culture n’en sécrète pas. Il faut donc apporter la quasi-totalité des hormones et des facteurs de croissance par la main de l’homme. Comme les implants hormonaux sont interdits en élevage conventionnel, il en va de même pour la viande de culture. Si les startups américaines veulent vendre de la viande de culture en Europe, elles vont devoir se pencher sur cette question.
La viande de culture a-t-elle des atouts environnementaux ?
Il faut de l’énergie pour faire pousser de la viande de culture, car les cellules se multiplient à une température physiologique. Il faut donc chauffer les incubateurs. La consommation et les émissions de gaz à effet de serre dépendent alors de la source énergétique, de l’inertie de chauffage et de la taille des incubateurs. Le chauffage va s’accompagner d’émissions de CO2, alors que les ruminants – les vaches, les moutons – émettent du méthane. Cela fait une sacrée différence car le méthane a un pouvoir de réchauffement plus élevé, mais il a une demi-vie plus courte dans l’atmosphère. Sur le long terme, c’est donc plutôt l’élevage qui serait moins réchauffant par rapport à la viande de culture.
On ne peut pas affirmer avec certitude que la viande de culture va plus ou moins polluer, car elle n’existe pas au stade commercial et industriel. Les derniers travaux montrent toutefois qu’il ne semble pas y avoir d’avantage certain sur l’environnement.
La commercialisation de la viande in vitro, c’est pour bientôt ?
Il y a une appétence journalistique pour ce sujet extrêmement forte. Les journalistes devraient plutôt parler en priorité des autres sujets qui occupent les chercheurs, comme la réduction du gaspillage alimentaire et les nouveaux systèmes d’élevage. Patrick Hopkins, un sociologue américain, a montré qu’il y a un biais dans la façon dont la presse américaine se saisit de cette question. Grâce à une communication très bien rodée, une minorité de startups font beaucoup de bruit médiatique. Finalement, il s’installe l’idée que c’est sur le point d’être commercialisé, ce qui n’est pas le cas. Elles ne sont d’ailleurs qu’une trentaine à travailler sur ce sujet dans le monde.
Propos recueillis par Matthieu Combe
Comment a évolué la consommation électrique française en 2019 ?
« La consommation française d’électricité est entrée dans une phase de relative stabilité depuis 2010 », prévient le Bilan électrique 2019 de RTE. Corrigée de l’aléa météorologique, cette consommation s’élève à 473 térawattheures (TWh) en 2019. C’est 0,5 % de moins qu’en 2018.
RTE observe une baisse de la consommation structurelle depuis 2010, analogue à celle des autres pays européens. L’entreprise avance trois causes principales : une croissance économique et démographique en berne, une économie qui tend à se tertiariser, ainsi qu’une meilleure efficacité énergétique des bâtiments et des équipements électriques générant une baisse de consommation pour satisfaire le même besoin. En 2019, RTE met en avant une croissance économique encore moins soutenue qu’en 2018 et à son plus bas niveau depuis 10 ans.
Une analyse sectorielle de la consommation
Le secteur le plus consommateur reste celui des entreprises et des professionnels (47%). Il est suivi par le résidentiel avec près de 36 % de la consommation finale d’électricité. Enfin, la grande industrie représente 17% du volume total.
La consommation corrigée des variations saisonnières des PME/PMI, des professionnels, des entreprises et des particuliers reste stable depuis sept ans. Elle subit une légère diminution de 0,5 % entre 2018 et 2019. En plus de la faible croissance économique, cette tendance vient de l‘efficacité énergétique des équipements et du ralentissement de la croissance du parc de nouveaux bâtiments chauffés à l’électricité, lié à la réglementation thermique 2012. « Les services sont de quatre à cinq fois moins consommateurs d’électricité que le secteur industriel à niveau de production équivalent », estime RTE.
La consommation de la grande industrie directement raccordée au réseau public de transport s’élève à 64,3 TWh, en recul de 3% par rapport à 2018. Corrigée des variations saisonnières, la consommation industrielle cache des dynamiques variées selon les secteurs. « Les secteurs de la métallurgie, de l’énergie et de la chimie voient leur consommation électrique augmenter respectivement de +4,8%, de +1,5% et 1,4% par rapport à 2018, détaille le rapport. Les autres secteurs de la grande industrie voient leur consommation électrique diminuer : le secteur de la sidérurgie enregistre la plus forte baisse avec -9,1%, suivi par celui du papier carton avec -7,2%, puis de la construction automobile avec -5% et enfin celui des transports ferroviaires avec -1,3%. »
Polar Pod : une expédition inédite au coeur du plus grand puits de carbone au monde
Le médecin et explorateur de 73 ans Jean-Louis Étienne se lance un nouveau défi d’envergure, plus de trente ans après sa traversée en solitaire du Pôle Nord. Cette fois-ci, cela se passera dans l’hémisphère Sud. Baptisée Polar Pod, tout comme le navire qui servira à la traversée, cette expédition au cœur de l’océan Austral débutera en 2023. Cette plateforme océanographique dérivante (ou « pod ») hors du commun sera le siège d’observations scientifiques diverses. Au cours d’une traversée de 22 000 kilomètres au plein cœur des cinquantièmes hurlants, ce navire, qui a la particularité d’être vertical et d’être plus grand que la statue de la Liberté, traversera tour à tour l’océan Indien, l’Atlantique et le Pacifique.
Lors d’un entretien accordé à Ouest France, Jean-Louis Étienne a confié que ce projet fait suite à une attente de la communauté scientifique : « Toutes les publications sur l’océan Austral se terminent par la même phrase : on a besoin de mesures in situ de longue durée ». En France comme à l’étranger, l’intérêt porté au projet ne se dément pas. Le CNRS, le Cnes, l’École polytechnique de Lausanne, ou encore la Nasa font partie des institutions intéressées par ces recherches. Un enthousiasme partagé par la chimiste de l’atmosphère au Massachusetts Institute of Technology (MIT) et prix Nobel de la Paix 2007, Susan Solomon. « Pour nous, c’est comme si vous alliez sur la Lune », a-t-elle déclaré, rapporte l’Express.
L’océan Austral, plus grand puits de CO2 au monde
Au-delà de son intérêt scientifique indéniable, Jean-Louis Étienne souhaite donner à cette traversée de l’océan Austral une dimension militante. L’explorateur espère que les observations de Polar Pod contribueront à éveiller les consciences face aux effets du réchauffement climatique, notamment au sujet de la disparition des glaces pluriannuelles, qui ne fondent pas d’une année sur l’autre. De plus, le médecin rappelle qu’avec ses eaux froides et sa vaste étendue, l’océan Austral est le plus grand puits de carbone de la planète. Le dioxyde de carbone se dissout en priorité dans ses eaux froides. Donc, observer la concentration du CO2 ainsi que la dilatation de ces eaux qui se réchauffent permettrait aux scientifiques d’encore mieux appréhender les mécanismes du réchauffement climatique. « On va mesurer la capacité de cet océan à absorber le CO2 aux quatre saisons », précise Jean-Louis Étienne.
Lors de la dernière édition du Change Now Summit qui a eu lieu à Paris du 30 janvier au 1er février, l’explorateur a voulu faire une mise au point quant à ce que représente le réchauffement du climat d’un degré. En prenant un degré en un siècle, « la Terre a une légère fièvre », à l’origine d’un « dérèglement sérieux », explique-t-il. Pour mieux comprendre ce que cela implique et représente, Jean-Louis Étienne a établi un parallèle avec la fièvre humaine. « Lorsque notre température corporelle passe de 37,5 à 38,5 degrés, cela cause des désagréments et nous nous sentons fébriles. Pourtant, la variation n’est que d’un degré. Pour la planète, c’est la même chose », avait-il méthodiquement expliqué. Pour lui, « il est fondamental de limiter les émissions de gaz carbonique », et de le faire rapidement car, selon lui, il faudra a minima trente ans pour commencer à constater une amélioration.
Polar Pod, un navire vertical unique conçu à Lorient
Et dans le but de mener cette mission à bien, Jean-Louis Étienne a fait appel au bureau d’études Ship ST pour concevoir ce navire unique. Difficulté notoire : concevoir une structure qui puisse résister aux conditions climatiques tempétueuses de l’océan Austral. Ainsi, l’ingénieur Laurent Mermier, directeur général de Ship ST, a suggéré la confection d’un navire qui prendrait la forme d’un grand tube vertical, conçu sur le même principe qu’un flotteur. À la surface, un treillis permettra aux vagues de ne pas buter sur le navire vertical, pour favoriser sa stabilité. Le vaisseau est conçu pour assurer la sécurité et le confort d’une équipe de 8 personnes. L’équipage sera composé de trois officiers de marine marchande, quatre ingénieurs scientifiques, et Jean-Louis Étienne lui-même. Les relèves d’équipage auront lieu tous les deux mois.
D’une taille de cent mètres et pesant 1 000 tonnes, le Polar Pod sera immergé à 80 mètres sous le niveau de la mer. L’intérêt d’aller à 80 mètres sous la surface est de retrouver des eaux calmes. Cette stabilité retrouvée permet de faciliter les analyses. À cette profondeur seront immergés des micros appelés hydrophones pour écouter la faune. L’autre grand objectif de l’expédition sera d’établir un inventaire des espèces qui composent la faune aquatique australe.
Calcul quantique : les premières applications à court terme
Les performances de l’informatique quantique donnent le tournis. Grâce à l’ordinateur quantique D-Wave 2X, la Nasa et Google seraient parvenus à atteindre des vitesses de calcul 100 millions de fois plus rapides que les ordinateurs classiques.
Mais cette puissance de calcul ne signifie pas pour autant la mort de l’informatique «classique», ni même des supercalculateurs. Le calculateur quantique doit être vu comme un coprocesseur qui accélérera certains calculs bien spécifiques.
Dans des cas précis, « le gain de temps sera exponentiel (passage de plusieurs milliers d’années à quelques heures), rendant accessibles certains calculs irréalisables en pratique à ce jour », peut-on lire dans le rapport « Quantique : le virage technologique que la France ne ratera pas », remis au gouvernement début janvier dernier(1).
Des gains d’efficacité substantiels
Mais au-delà de ces prouesses, quelles pourraient être les premières applications ? L’un des premiers secteurs qui devraient en profiter est la chimie. Même avec les plus puissants ordinateurs actuels, l’étude des molécules produit d’importantes approximations. C’est encore plus vrai dès que la taille du système étudié augmente.
Des calculs quantiques pourraient entraîner un changement de paradigme dans la chimie moléculaire et les domaines connexes tels que les processus de fixation de l’azote, la conception de médicaments, l’élucidation des mécanismes catalytiques des enzymes, etc.
De nouveaux procédés chimiques présenteraient des gains d’efficacité substantiels. Par exemple, « l’élaboration d’un nouveau catalyseur pour la fabrication d’engrais pourrait potentiellement permettre de réduire de 5% la consommation énergétique mondiale », découvre-t-on dans le rapport « Quantique : le virage technologique que la France ne ratera pas ».
Mais des défis majeurs restent à relever. C’est le cas du développement d’algorithmes quantiques pour la résolution de problèmes chimiques considérés comme insolubles pour les ordinateurs classiques.
Comprendre les mutations des protéines
Autre domaine pour lequel l’informatique quantique présente un grand intérêt : la biologie. Une étude menée en Californie (2) a démontré comment un processeur quantique pouvait être utilisé comme outil de prédiction pour évaluer un processus fondamental en biologie : la liaison des protéines régulatrices des gènes au génome.
C’est l’un des premiers exemples dans lequel un calculateur quantique (en l’occurrence le D-Wave 2X) s’est appuyé sur des données biologiques réelles. Une connaissance plus précise de la transcription de l’ADN et de la formation des protéines est essentielle pour que les scientifiques parviennent à mieux comprendre comment les mutations des protéines conduisent à la maladie.
Le calcul quantique pourrait être utilisé pour modéliser les réactions chimiques à l’échelle moléculaire afin de prédire avec plus de précision l’interaction protéines-médicaments. Cette meilleure compréhension et détection mèneraient à de nouvelles méthodologies pharmaceutiques qui accéléreraient la mise sur le marché de médicaments personnalisés.
Logiquement, le troisième domaine qui pourrait tirer profit des calculateurs quantiques est la médecine. Les chercheurs passent en moyenne 12 ans à comparer les interactions et les effets de différents médicaments sur une série de maladies afin de déterminer le meilleur médicament. Ce processus pourrait être considérablement raccourci grâce aux ordinateurs quantiques.
Différents partenariats ont été signés entre des laboratoires pharmaceutiques et des éditeurs de logiciels quantiques. Ainsi en juin dernier, Merck annonçait un partenariat de trois ans avec la start-up HQS Quantum Simulations basée à Karlsruhe en Allemagne pour le développement d’algorithmes quantiques de simulation chimique.
Des matériaux disruptifs
Enfin, le calcul quantique pourrait être aussi utilisé pour découvrir plus rapidement de nouveaux matériaux disruptifs dans plusieurs secteurs économiques. Il pourrait permettre également d’accélérer la résolution de problèmes d’optimisation complexes, notamment pour la distribution d’énergie, contrôle et reroutage du trafic, et la planification des tâches.
Même si la recherche fondamentale dans le domaine de l’informatique quantique a connu un essor important cette dernière décennie, il reste encore d’importants défis à relever (problèmes de décohérence et de complexité, corrections des erreurs…).
- (1) Rapport remis par Paula Forteza, Députée des Français d’Amérique latine et des Caraïbes, Jean-Paul Hertaman, Président d’Honneur du GIFAS, Président-directeur général, du Groupe SAFRAN, et Iordanis Kerenidis, Directeur de recherche au CNRS.
- (2) Étude de l’USC Center for Quantum Information Science & Technology de la Viterbi School of Engineering et de l’USC Dana and David Dornsife College of Arts.
Deux startups innovent pour une agriculture durable et sans produit phytosanitaire
Selon un rapport publié par l’ONU en juin 2019, la population mondiale pourrait atteindre 9,7 milliards d’individus en 2050. D’ici une trentaine d’années, le défi majeur pour le monde agricole sera de pouvoir nourrir deux milliards de personnes de plus qu’aujourd’hui. Or, l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO) indique que « ces dernières années, les taux de croissance de la production agricole et du rendement des cultures, au niveau mondial, ont baissé ».
Dans ce contexte, les agriculteurs pourraient avoir besoin d’utiliser davantage de produits phytosanitaires pour ne pas voir les rendements de leurs exploitations baisser. Mais pour certaines startup du secteur, une telle décision ne pourrait être compatible avec le développement d’une agriculture durable. Ainsi, lors de la dernière édition du Change Now Summit, deux d’entre elles, Solubio et Bioma, ont présenté leurs solutions pour concilier la nécessité de nourrir une population grandissante et limiter le recours aux produits phytosanitaires.
Favoriser la « microbiologie autochtone »
« Aujourd’hui, les multinationales défendent leurs intérêts en promouvant la consommation de produits phytosanitaires. Mais nous avons les technologies pour faire autrement, et c’est aux consommateurs de faire en sorte qu’elles soient appliquées », déclare Paolo Bassanini, PDG de Bioma. Cette société suisse, soutenue par la Solar Impulse Foundation, met au point des produits garantis sans OGM et sans pesticide chimique de synthèse pour favoriser « la microbiologie autochtone », et destinés à intensifier les rendements. Ces substituts aux pesticides de synthèse doivent être épandus sur les terres cultivées ou dans les exploitations agricoles, selon le terrain à traiter. Bioma propose un produit spécifique pour chaque type de culture, et même des solutions pour réduire le recours aux sulfites dans les vignes.
Dans les élevages, le principal atout des produits de Bioma est de réduire les émissions d’ammoniac, et ce jusqu’à 95%. Paolo Bassanini atteste que cela a un effet direct sur l’état de santé des animaux dans les élevages et sur la qualité des produits finaux. Selon ses propres chiffres, la startup affirme que ses solutions permettent une augmentation de 7% des productions de lait et de 10% du rapport viande/gras dans les exploitations bovines. Paolo Bassanini indique que dans les exploitations animalières où sont utilisés ces produits, « les animaux vont mieux et n’ont plus besoin d’antibiotiques ». Au Mexique, les élevages de porcs clients de Bioma ont enregistré un recul de la mortalité des porcelets de 40%.
Des biopesticides créés directement sur les exploitations
Bioma prévoit de se développer en Amérique du sud, car selon son PDG, « c’est le continent qui nourrit le monde ». Et c’est de cette région du monde qu’est originaire Solubio. Née au Brésil, cette startup a développé une technologie permettant aux agriculteurs de créer eux-mêmes les produits dont ils ont spécifiquement besoin sur leurs exploitations. Ainsi, les exploitants peuvent réaliser leurs propres biopesticides et autres fongicides bio sans produit chimique de synthèse. « Grâce à nous, le volume de produits phytosanitaires utilisés au Brésil a diminué en 2019 », affirme Mauricio Schneider, directeur des stratégies et des opérations chez Solubio. De plus, cette solution permettrait de réduire de 40% le budget destiné au traitement des cultures.
L’objectif de Solubio est de réduire l’usage des pesticides de synthèse qui renforcent la résistance de certaines bactéries, pouvant ainsi causer des problèmes sanitaires. Aujourd’hui, Solubio équipe des exploitations brésiliennes de plus de 1 000 hectares. Pour Mauricio Schneider, les agriculteurs seraient prêts à changer de modèle s’ils sont correctement accompagnés. « Il ne suffit pas de dire ‘on arrête les pesticides’ du jour au lendemain. Le challenge, c’est d’implémenter les technologies sur le terrain en veillant à bien accompagner les agriculteurs ». Prochainement, Solubio s’attaquera au marché paraguayen, puis à l’Europe.
Energy Observer : l’hydrogène maritime à l’assaut du monde
Energy Observer a déjà parcouru plus de 18 000 nautiques soit environ 33 000 km depuis 2017 grâce aux énergies renouvelables. Il a fait escale dans 25 pays, navigué le long des côtes françaises et dans tout le bassin méditerranéen. En 2019, il a vogué en Europe du Nord jusqu’en Arctique. Sa nouvelle odyssée devrait débuter le 17 février afin de parcourir le monde durant 4 ans jusqu’à fin 2023. Ces nouvelles navigations seront beaucoup plus intenses et longues, avec déjà trois traversées océaniques en 2020. Direction le Maroc pour commencer, puis les Canaries, le Cap-Vert, les Antilles, Panama, Hawaï et enfin Tokyo, du 24 juillet au 16 août, pendant les Jeux Olympiques. « En une seule année, il parcourra l’équivalent de ce qu’il a parcouru depuis 3 ans », fait savoir l’équipage.
L’équipe parie sur l’amélioration continue des différents systèmes combinant trois sources d’énergies renouvelables (solaire, éolien, hydrolien) et deux formes de stockage (batteries et hydrogène). Le système de contrôle commandes, qui pilote l’ensemble des systèmes entre eux, est aussi en perpétuelle évolution logicielle. « Sortir des systèmes de leurs laboratoires feutrés et normés, les démonter, les modifier pour anticiper, puis les emmener dans du très chaud, du très froid, du trempé et du hautement corrosif pour voir par où ils vont commencer à craquer », voici le défi, explique l’équipe du projet. Cette nouvelle odyssée sert de banc d’essais incomparable pour l’ensemble des technologies embarquées.
Des énergies renouvelables de plus en plus fiables
Toute la chaîne de production d’hydrogène, des dessalinisateurs développés par la société française SLCE jusqu’à la pile à combustible originale développée par le CEA-Liten, est en amélioration constante. Les ingénieurs optimisent ainsi l’électrolyseur de Proton Onsite, le compresseur à 350 bars de NovaSwiss et le stockage à 350 bars dans les bouteilles de Luxfer.
Pour cette nouvelle expédition, une pile à combustible de grande série supplémentaire, développée par Toyota, a été installée afin d’évaluer son fonctionnement en milieu salin et humide. « C’est un produit industriel, destiné à être produit en très grande quantité et donc à un prix concurrentiel, explique Louis-Noël Viviès, directeur général d’Energy Observer. Nous avons développé avec Toyota un système complet avec des périphériques adaptés au milieu marin (Blower, onduleur), le tout dans un bloc compact et léger, mais maintenant il faut qu’il tienne quelques dizaines de milliers de milles marins ! »
Des ailes verticales automatisées baptisées « OceanWings » et développées par VPLP design et CNIM sont testées à bord depuis 2018. Elles permettent d’économiser jusqu’à 44% d’énergie sur un parcours type, d’accélérer la vitesse du navire, d’augmenter la production d’hydrogène pendant les navigations. Une nouvelle version optimisée et fiabilisée est remontée début 2020, afin d’augmenter la production d’hydrogène et la vitesse de compression.
En 2020, Energy Observer embarque davantage de panneaux solaires. La surface a été à nouveau augmentée de 36,8 m², pour une puissance supplémentaire de 5,6 kWc et une surface totale de 202 m². La puissance maximum s’élève désormais à 34 kWc, le double depuis 2017, avec des panneaux de Solbian.
Des hélices innovantes pour une meilleure hydrogénération
Des hélices prototypes dont l’angle des pales est adaptable seront testées. Leur promesse est d’adapter en permanence l’angle des pales des hélices de façon optimale. L’objectif est d’améliorer la vitesse lorsque le bateau est propulsé par ses ailes et de disposer de plus de couple lorsque le bateau franchit une vague, ou de plus d’allonge lorsqu’il est poussé par les vagues.
Ces hélices innovantes peuvent également se retourner et optimiser l’hydrogénération, c’est-à-dire la production d’électricité au moyen d’une hélice grâce au déplacement du navire. Le système testé sur Energy Observer permet de retourner complètement les pales, qui deviennent donc aussi efficaces dans un sens comme dans l’autre. « Il faut trouver le meilleur compromis de gestion des hélices à pas variable en hydrogénération, pour justement pouvoir électrolyser en route, détaille Louis-Noël Viviès. Si vous cherchez à produire beaucoup d’électricité, vous freinez votre arbre d’hélice, donc créez de la traînée, donc ralentissez et baissez le rendement des ailes. »
Sur l’ensemble de l’année 2019, le bateau a produit environ 12 000 kWh d’électricité. Les OceanWings auraient permis d’économiser 9000 kWh. 63% de l’électricité a été produite par le photovoltaïque, 34% par la pile à combustible et 3% par l’hydrogénération. 305 kg d’hydrogène ont été produits à bord. Côté consommation, l’électricité a servi à 54% à la propulsion électrique, 26% à la vie à bord, 11% au contrôle des commandes et 9% aux servitudes.
Les défauts dans les batteries Li-Ion pourraient-ils améliorer leurs performances ?
Ajouter des défauts dans les batteries Li-Ion pourrait améliorer leurs performances. Cela dit, grâce à des simulations numériques, des chercheurs ont également montré qu’un trop grand nombre de ces défauts pouvait fragiliser les batteries et réduire leur durée de vie. Un équilibre reste donc à trouver.
Des défauts dans les batteries
Parue fin 2019 dans npj Computational Materials, une première étude réalisée à l’université de Rice (Etats-Unis) a démontré qu’en ajoutant volontairement des défauts dans la microstructure des particules constituant la cathode, on facilitait la circulation du lithium.
Ces défauts cristallographiques, connus sous le nom “d’antisites” se forment lorsque des atomes sont placés en mauvaise position sur un réseau cristallin. Dans le cas de ces travaux, des atomes de fer viennent ainsi perturber la structure en LiFePO4 en prenant la place du lithium, ce qui était jusqu’ici considéré comme défavorable pour la performance des batteries.
Les défauts : bonne ou mauvaise chose ?
D’après l’étude de 2019, les antisites seraient donc une bonne chose, car ils accélèrent la cinétique d’intercalation du lithium. Cependant, les travaux publiés en janvier 2020 dans le Journal of Materials Chemistry A et réalisés par la même équipe viennent nuancer leurs propos. L’étude met en évidence un fait : un trop grand nombre d’antisites au sein des particules constituant la cathode peut générer trop de contraintes et provoquer la détérioration de la batterie.
Pour démontrer cela, l’équipe de Ming Tang a utilisé une méthode de simulation numérique de l’évolution de la microstructure (phase-field simulation) du LiFePO4. Elle a ensuite corrélé les résultats obtenus avec ceux issus d’une étude expérimentale concernant la microscopie par rayons X du LiFePO4 (Ohmer et al. Nature Communications 6, 6045 (2015)). Le couplage de ces résultats a ainsi permis d’obtenir la première illustration du phénomène “d’instabilité par contraintes induites” (Stress-induced instability) de l’intercalation du lithium.
La maîtrise des défauts est la clé
Comme souvent, c’est donc une affaire de maîtrise et de compromis. Les travaux conduits à l’université de Rice indiquent qu’introduire volontairement des antisites au sein d’une cathode est bénéfique jusqu’à un certain point.
La difficulté sera maintenant de trouver le bon « dosage », ce qui va nécessiter de nombreux essais expérimentaux qui pourront s’appuyer sur ces travaux de simulation.
D’après les travaux de Ming Tang et Kaiqi Yang de l’Université de Rice.