Le système électrique français est interconnecté avec ses pays voisins au sein du réseau de l’Europe continentale qui constitue un réseau « unique ». Dans cette zone, l’ensemble des moyens de production et de consommation doit être équilibré en permanence. Lorsqu’il y a un équilibre parfait entre la production et la consommation, la fréquence est la même partout, égale à 50 Hz. 

Les différentes zones synchrones sont reliées entre elles par des liaisons à courant continu qui fonctionnent comme des robinets que l’on peut fermer. Elles permettent de faire des échanges d’électricité et d’optimiser la production de chacune.

Comment tout cela fonctionne-t-il ?

Lorsqu’il y a un excès de production, la fréquence du réseau augmente. Au contraire, lorsqu’il y a un déficit de production par rapport à la consommation, la fréquence baisse. Les gestionnaires de réseaux doivent donc rester au plus proche de 50 Hz pour assurer la qualité du réseau. 

Ce respect de la fréquence est important, car les process industriels et les machines de production ont besoin d’une fréquence de 50 Hz (c’est la norme) et l’ensemble des appareils électriques ont un fonctionnement optimal à cette fréquence : télévision, réfrigérateur, etc.

Dès que l’on s’écarte de cette valeur, le rendement des machines est dégradé. « Lorsque l’on s’écarte trop de 50 Hz, on risque de voir des machines de production s’arrêter et se déconnecter automatiquement du réseau », commente Jean-Paul Roubin, Directeur du dispatching national de RTE, l’opérateur du réseau de transport d’électricité français. « À 47 Hz, plus aucune machine de production n’est capable de rester connectée à un réseau », ajoute-t-il.

Il en reste que cette puissance moyenne est supérieure à celle de 15 réacteurs nucléaires de type EPR. Cette puissance importante permet d’éviter des désagréments trop fréquents pour les utilisateurs. En effet, grâce à sa valeur élevée, les petits problèmes qui surviennent tous les jours dans les différentes centrales passent totalement inaperçus aux yeux des utilisateurs.Heureusement, « plus le réseau est grand, plus il est robuste : un aléa sur une production va être compensé par l’ensemble de la zone synchronisée », fait-il savoir. Ainsi, sur la zone synchrone d’Europe continentale, « une variation de fréquence d’un hertz, correspond en moyenne à une différence de puissance entre la production et la consommation d’environ 25 000 MW », estime-t-il. Cela est évidemment différent à tout moment en fonction du niveau global de consommation et de production !

Grâce aux interconnexions situées aux 46 zones transfrontalières françaises, les acteurs du marché de l’électricité organisent des échanges d’électricité avec l’ensemble des pays membres de la zone. « On est passé d’une optimisation locale et nationale à une optimisation de la production d’électricité qui se fait sur la maille européenne », précise Jean-Paul Roubin.

Ces acteurs vont pouvoir observer la disponibilité et le coût des moyens de production dans les différents pays et décider, par exemple, de démarrer plutôt une centrale au charbon dans un pays ou d’importer de l’électricité produite par des éoliennes à un moment donné.

Comment éviter les black-out ?

Les black-out ont 3 origines principales : l’écroulement de fréquence, l’écroulement de tension et l’effet cascade de surcharges sur le réseau. L’écroulement de fréquence est lié à un déséquilibre entre la production et la consommation. Il traduit une surcharge généralisée et non prévue. Pour y remédier, il faut réaliser une cascade de coupures ou des délestages choisis. Dans ce cas, il faudra revenir à une fréquence supérieure à 50 Hz, avant de reconnecter les utilisateurs ou les process, afin de ne pas « écrouler » la fréquence à leur reconnexion.

L’effet cascade de surcharges sur le réseau se produit lorsqu’une ligne déclenche et surcharge ses voisines par son report de transit. Pour mieux comprendre de quoi il s’agit, il faut se rappeler que les lignes transportant l’électricité sont en métal. Plus la ligne transporte de l’électricité, plus le métal chauffe et se dilate et se rapproche donc du sol.

Lorsque la ligne est en surcharge, elle peut être « disjonctée » automatiquement par mesure de sécurité, pour respecter sa distance minimale de sécurité avec le sol ou une habitation, par exemple. Dès lors, l’électricité qu’elle transportait est reportée vers une autre ligne. Si le report d’électricité est trop important, les surcharges de ligne peuvent se faire en chaîne, la quantité d’électricité à reporter s’amplifiant au fur et à mesurer que le nombre de lignes en surcharge augmente.

Le dernier cas de cause possible de black-out est l’écroulement de la tension. En France, nos habitations sont alimentées par un réseau de distribution en basse tension (220 V).  En revanche, le réseau de transport de l’électricité est composé de lignes à très haute tension, entre 63 et 400 kV. La tension « s’écroule » si la puissance appelée par le réseau de distribution dépasse la puissance maximale transmissible par le réseau de transport. Pour y remédier, il faut réaliser une cascade de coupures ou des délestages.

Pour éviter tous ces incidents, plusieurs moyens de suivi sont mis en place. Le plus important est de pouvoir anticiper la consommation et la production sur le réseau, ainsi que les échanges aux interconnexions. Il faut avoir des prévisions de production à chaque instant pour regarder en permanence l’état du système électrique, détecter des zones à risques et activer des leviers pour éviter les problèmes. Cela commence plusieurs années à l’avance et finit en temps réel, dans la salle de contrôle du dispatching national de RTE à Saint-Denis. Le centre reçoit plus de 50 000 informations en temps réel, rafraichies toutes les 10 secondes.

Si cela vous intéresse, RTE met en ligne en temps réel la consommation, la production, les échanges commerciaux et le contenu CO₂ de l’électricité française sur son site Internet ou via l’application éCO₂mix pour iPhone et Android.

Par Matthieu Combe, journaliste scientifique

Les auteurs du Sustainable Energy in America 2013 Factbook décrivent l’émergence rapide de technologies modernes aux USA, et ses conséquences au niveau du mix énergétique et des émisisons de gaz à effet de serre. Le changement est très rapide.

Progression des énergies renouvelables et du gaz naturel,  recul du charbon et du pétrole

La puissance installée des énergies renouvelables à doublé en 5 ans. La part de ces énergies durables dans l’énergie totale consommé (incluant électricité, chaleur et transports) a bondit de 6,4% à 9,4%, une progression de 3 points. 

Le gaz naturel, la plus propre (ou moins sale) des énergies fossiles, a progressé pour répondre à présent à un tiers de la demande électrique. Entre 2007 et 2012, la part du gaz naturel dans l’énergie totale consommé (incluant électricité, chaleur et transports) est passée de 23,4% à 27,2%, soit une progression de 3,8 points. 

Durant la même période la part du charbon, le plus polluant des combustibles fossiles, a chuté de 22,5% à 18,1%, soit un recul de 4,4 points, ce qui est remarquable. La part du pétrole s’est érodée de 39,3% à 36,7%, une baisse de 2,6 points. 

L’efficacité énergétique a progressé de 6%

Le rapport souligne que la recherche de l’efficacité énergétique devient une priorité aux USA, en particulier chez les grands consommateurs d’électricité qui deviennent de plus en plus conscient de son intérêt financier. Depuis 1980, l’intensité énergétique des bâtiments commerciaux a chuté de plus de 40%. 

Globalement, la demande énergétique aux USA a diminué de 6,4% entre 2007 et 2012, en grande partie grâce aux gains d’efficacité et en dépit d’un contexte de croissance économique. Les USA montrent ainsi qu’un découplage entre croissance économique, consommation d’énergie et émissions de CO2 est possible.

La vente des véhicules hybrides et électriques a atteint un volume de 488000 unités en 2012, et l’usage du gaz naturel dans les transports a augmenté de 26% entre 2008 et 2011. « Ces nouvelles technologies énergétiques, que certains considèrent comme pas encore prêtes, ont dès à présent un sérieux impact sur l’énergie américaine » a déclaré  Ethan Zindler, directeur des analyses politiques au sein de Bloomberg New Energy Finance. 

Le coût des énergies renouvelables en baisse 

Les auteurs du rapport soulignent également la chute spectaculaire des coûts de production du solaire photovoltaïque, passant de 31 cents le kWh en 2009 à 14 cents par kWh en 2012 (1 dollar = 0.75 euro). Le coût de l’éolien terrestre a également diminué, passant de 9 cents le kWh en 2009 à 8 cents en 2012. 

Pour Lisa Jacobson, présidente du Business Council for Sustainable Energy, « des changements significatifs sont en train de se produire dans le secteur énergétique américain, changements qui boostent l’investissement et l’accélération du déploiement de toute une gamme d’écotechnologies commercialement viables. » 

Au final, les émissions de CO2 ont décliné de 13% en 5 ans, faisant des USA le leader mondial de la réduction des émissions de gaz à effet de serre. La croissance du PIB américain au premier trimestre 2013 s’est établie à 2,4% en rythme annualisé de janvier à mars.

Olivier Daniélo

Lire aussi : Les énergies renouvelables ont rendez-vous avec le gaz naturel

Durant l’année 2012, le monde a installé 31 GW (1 GW = 1000 MW) de nouvelles capacités PV, portant la puissance installée mondiale cumulée à 102 GW, une puissance permettant de générer autant d’électricité que 16 centrales au charbon de 1 GW chacune. 

La première puissance solaire mondiale est l’Allemagne (32,4 GW), suivie de l’Italie (16,3), de la Chine (8,3), des USA (7,7) et du Japon (6,9).   

Le soleil a fournit 2,6% de l’électricité européenne en 2012

7 pays de l’UE dépassent à présent les 100 watts installés par habitant: Allemagne (398), Italie (273), Belgique (241), République tchèque (196), Grèce (144), Bulgarie (123) et Espagne (110). La France, malgré son énorme potentiel solaire, fait 6,5 fois mois bien que l’Allemagne.  6 régions italiennes, 4 régions allemandes, 1 région espagnole et 1 région grecque dépassent les 450 watts par habitants.

La part du PV dans les mix électriques dépasse 1% dans 10 pays européens en 2012, atteignant des niveaux très significatifs pour certains d’entre eux : Italie (6,7 %), Allemagne (5,6), Grèce (4,2), Bulgarie (3,4), République Tchèque (3,1), Belgique (2,9), Espagne (2,8), Slovaquie (2), Slovénie (1,7), Danemark (1,1).

Le charbon et le nucléaire reculent. Les renouvelables et le gaz progressent

En 2012, l’UE a installé (bilan net) 16,6 GW de PV, 11.6 GW d’éolien et 5 GW de centrales à gaz. Elle a retiré 1,1 GW de centrales nucléaires, 2,4 GW de centrales à charbon (5,4 GW de retirées et 3 GW de nouvelles centrales ajoutées) et 3,1 GW de centrales au fioul. 

Le PV est vraiment sorti de la marginalité et grignote progressivement le business des énergies non durables.

Par Olivier Daniélo

La Commission de régulation de l’énergie est formelle : les tarifs réglementés d’électricité d’EDF ne permettent pas de couvrir les coûts de production, de commercialisation et d’acheminement jusqu’aux sites de consommation. Elle recommande une augmentation des tarifs bleus d’EDF entre 7 % et 10 % durant l’été 2013, puis d’environ 3 % en 2014 comme en 2015. Mais ce n’est pas tout. La hausse de ce tarif ayant été nettement insuffisante ces dernières années, la CRE a relevé un manque à gagner de 1,47 milliards d’euros pour EDF en 2012. Le consommateur devra payer. Si ce rattrapage était effectué intégralement cette année, il entraînerait une hausse supplémentaire des tarifs bleus de 7,6 %.

De son côté, le Médiateur de l’énergie propose une hausse des tarifs réglementés de 5 % en 2013, et à nouveau en 2014 et 2015 afin d’éviter des rattrapages trop brutaux pour le consommateur. Pour plus de lisibilité, il préconise une fixation annuelle des prix et non plus trimestrielle, comme c’est le cas actuellement.

Fabien Choné, directeur général délégué Poweo Direct Energie, fournisseur d’énergie alternatif, propose aussi d’augmenter les tarifs réglementés d’électricité de 5 à 6 % par an pendant 3 ans. Il menace d’attaquer le gouvernement au Conseil d’Etat s’il était amené à décidé une trop faible hausse des tarifs.

Dans une situation difficile pour le pouvoir d’achat des Français et face à un coût de production qui augmente, le Gouvernement fait savoir qu’il ne prévoit pas d’effectuer ce rattrapage cette année. Il présentera toutefois un tarif réglementé revu en prenant en compte l’ensemble de ces paramètres en juillet. 

Des charges qui augmentent

Les charges d’EDF ont sensiblement augmenté entre 2007 et 2012. La CRE relève des investissements en hausse, notamment en raison de la hausse du prix des combustibles et de la maintenance du parc nucléaire, avec les exigences post-Fukushima. Les coûts d’EDF ont ainsi augmenté de 10,2 % par an pour l’ensemble des charges de production, de 2,9 % pour les charges de capital, et de 6,3 % pour les dépenses commerciales.

Compte tenu de l’augmentation structurelle des coûts de l’électricité, le Gouvernement rappelle l’importance de mettre en place rapidement le plan de rénovation énergétique pour améliorer l’efficacité énergétique des habitations. Ainsi, même si le coût du kWh augmente, la facture payée par le consommateur restera inchangée.

Par Matthieu Combe, journaliste scientifique

Chaque année, ce sont encore plus de 33 000 tonnes de déchets sauvages qui sont abandonnés en France, selon une estimation très grossière élaborée par l’association « Vacances propres ». C’est plus de trois fois le poids de la Tour Eiffel ! 

Selon ses calculs, près de 22 000 tonnes de déchets sont abandonnés le long des routes, plus de 10 000 tonnes sur les rives ou en flottaison dans les cours d’eau, environ 3 000 tonnes sur les plages et plus de 350 tonnes sur les pistes de ski ! La méthodologie utilisée sera améliorée d’année en année, en concertation avec les travaux menés par les associations européennes de prévention des déchets sauvages. 

D’ailleurs, pour parvenir à une meilleure méthode d’évaluation de la quantité de déchets sauvages et afin de partager les bonnes pratiques visant à les diminuer, les associations européennes leaders dans la prévention des déchets sauvages se sont regroupés au sein du « Clean Europe Network » (Réseau Européen de la Propreté), en mars dernier. L’association « Vacances Propres » et l’Association des Villes pour la Propreté Urbaine y représentent la France. Elles organiseront la Clean Europe Week, envisagée pour mai 2014 à travers toute l’Europe et même les pays non membres qui veulent participer, pour sensibiliser la population aux décharges sauvages.

Par Matthieu Combe, journaliste scientifique

La domotique constitue l’ensemble des technologies utilisées dans les bâtiments qui permettent de centraliser le contrôle des différents équipements et services d’un bâtiment ou d’une habitation.

Elle facilite le confort, la sécurité et la communication à distance. « Le but du jeu est d’avoir des bâtiments économiques en énergie, intégralement équipés de capteurs et d’interrupteurs, qui fonctionnent facilement, que l’on puisse mettre, défaire et redéfaire, des bâtiments communiquant et interopérables », explique Laurent Muckensturm, gérant de Giga-concept, distributeur de solutions complètes en radiofréquences.

Pour être communicant, il faut des capteurs, des mesures, du comptage et des actionneurs. EnOcean s’appuie sur trois principes physiques : la piézo-électricité, le photovoltaïque et l’effet Peltier.

Les interrupteurs fonctionnent grâce à l’énergie fournie par la pression mécanique de celui qui l’actionne. Cela génère le peu de courant nécessaire pour envoyer l’information radio à la centrale. Ils ne nécessitent ni pile, ni fils ce qui limite la pose des câbles et le percement des murs.

Ils peuvent donc être placés et déplacés en toute simplicité et sans maintenance. Les capteurs, sondes de température, contacts d’ouverture et de fenêtre et les affichages display fonctionnent grâce à des minis panneaux photovoltaïques ; le chauffage central fonctionne par effet Peltier.

« EnOcean est la seule norme ISO domotique interopérable sur le marché, bidirectionnel ; environ 300 fabricants de produits travaillent avec le protocole EnOcean pour environ 1 200 produits interopérables déjà disponibles », commente Laurent Muckensturm.

Cette technologie sans fil est totalement interopérable, ouverte et comparable aux normes Bluetooth et Wi-Fi. Une box récupère toutes les informations présentes le bâtiment : elle est pilotable sur place et à distance, par smartphone ou ordinateur.

Quelques exemples concrets

Grâce à la domotique, il est possible de faire du contrôle d’accès et détecter des mouvements d’intrus ou piloter le chauffage central pièce par pièce. Il est aussi possible d’optimiser la ventilation double flux d’un bâtiment en faisant de l’analyse de l’air. Les capteurs d’humidité ou de CO₂ commandent l’allumage de la ventilation en fonction des résultats.

Il existe aussi des poignées de fenêtre radio qui permettent d’envoyer un signal radio à la box pour qu’elle éteigne le chauffage lorsqu’une personne ouvre les fenêtres. Cela est très pratique pour les hôtels et les habitations, car cette action n’est pas toujours pensée.

« Ce qui est intéressant dans les bâtiments intelligents de demain est de pouvoir faire des choses complètement automatiques auquel l’utilisateur ne penserait justement pas », précise Laurent Muckensturm. C’est là tout l’intérêt des bâtiments intelligents !

Plusieurs hôtels se sont mis à la domotique pour simplifier la maintenance et faire des économies d’énergie. Dans les hôtels à ouverture de portes par carte, si le client quitte la chambre en laissant, par exemple, la lumière et le chauffage allumés, le tout est pilotable depuis l’accueil sans avoir à envoyer un agent sur place.

Par Matthieu Combe, journaliste scientifique

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Pour l’ensemble des 4 Programmes, l’ADEME lance tout au long de l’année des Appels à Manifestations d’Intérêt (AMI) et organise la sélection, instruit et accompagne les projets lauréats jusqu’à leur industrialisation. 31 AMI ont déjà été lancés ; 27 sont clos. Cela a déjà permis de retenir 115 projets sur les 541 propositions reçues par l’agence. L’ensemble de ces projets représente un investissement total de plus de 3 milliards d’euros, les investissements d’avenir ayant pour le moment fourni 940 millions d’euros d’aides.

Les initiatives étant très nombreuses dans les champs couverts, les programmes Investissements d’Avenir ont fait le choix de parier sur des projets de taille ambitieuse de plusieurs millions d’euros. Ceux-ci concernent la réalisation d’expérimentations préindustrielles, de démonstrateurs et de premières industrielles dans les domaines des énergies renouvelables et décarbonnées et de la chimie verte, des réseaux électriques intelligents, des véhicules du futur et de l’économie circulaire. Tous ces projets nous permettent d’entrevoir les technologies de demain. Elles nous montrent la voie pour à suivre pour relever les défis environnementaux et économiques.

Place aux renouvelables !

L’ADEME a des objectifs ciblés sur le grand éolien, sur terre et sur mer, et sur l’éolien flottant ne nécessitant pas d’ancrage dans les fonds marins. L’éolien flottant suscite un grand intérêt, car il peut être déployé sur toutes les côtes, même là où les profondeurs sont supérieures à 30 mètres. Cette solution est particulièrement intéressante pour la France, les pays méditerranéens, les Etats-Unis et le Japon à cause de la profondeur des fonds marins à proximité des côtes. Sans cette technologie flottante, la France ne pourra pas atteindre ses objectifs en matière d’éolien offshore. Le projet VertiWind s’intéresse à un démonstrateur d’éolienne flottante à axe vertical d’une puissance de 2 MW. Le projet Winflo testera un démonstrateur d’une éolienne flottante à axe horizontale de plus de 3 MW pour les zones dont la profondeur dépasse les 50 mètres. De son côté, le projet SiPré simule la perturbation des radars par les éoliennes de façon à concevoir des éoliennes furtives. L’objectif est de diminuer les perturbations sur les radars météorologiques de Météo France, problème qui bloque déjà l’implantation de 3 000 MW de puissance éolienne sur le territoire !

Le solaire n’est pas non plus oublié. Le projet PV800 Export ambitionne de développer une filière industrielle française compétitive, notamment pour réaliser des wafers photovoltaïque de silicium. Au-delà du photovoltaïque, l’agence s’intéresse aussi au solaire à concentration et aux micro-centrales solaires. Ainsi, le projet HCPV 1024 Soleils vise le développement d’une nouvelle technologie solaire à concentration qui concentrera 1024 fois le rayonnement solaire.

De son côté, le projet MiCROSOL développe une microcentrale électrique solaire capable d’alimenter en continu un village isolé de 500 habitants en électricité, chaleur et eau potable sans avoir besoin de groupe diesel ou groupe électrogène. Enfin, le projet Scrib développe une solution de climatisation solaire réversible pour les bâtiments industriels et tertiaires. Elle répondra à l’ensemble des besoins de climatisation, de chauffage et de réfrigération.

Dans le cadre des investissements d’avenir, l’ADEME s’intéresse aussi aux énergies marines, aux procédés de fabrication des photopiles, à la géothermie et au stockage de l’énergie. Concernant le stockage, le projet Prévision des Energies renouvelables et Garantie Active par le Stockage d’Energie (PEGASE) vise à allier les énergies renouvelables au stockage d’énergie électrique avec une batterie NaS de 1 MW pour les îles. L’expérimentation est en cours à la Réunion pour permettre aux territoires insulaires d’atteindre 50 % d’énergies renouvelables d’ici 2020. Enfin, le projet GrHyd vise à faire du vecteur hydrogène, la solution au stockage de l’électricité renouvelable, et souhaite produire un nouveau carburant, l’Hythane®, un mélange hydrogène-gaz.

Les réseaux électriques seront intelligents

Une place importante est donnée à la recherche et à l’expérimentation en faveur de l’intégration des énergies renouvelables intermittentes dans les réseaux électriques. Ainsi, Nice Grid est le premier démonstrateur français de quartier solaire intelligent. Il intègre une forte proportion de production photovoltaïque décentralisée couplée à des solutions de stockage et utilise le compteur communicant Linky.

Un certain intérêt est aussi donné au développement de produits et de services intelligents permettant la maîtrise des consommations d’électricité, comme, par exemple, l’effacement de la pointe chez les clients. Dans ce cadre, le projet GreenLys est un test grandeur nature de gestion intelligente du réseau électrique comprenant 1 000 habitations et 40 sites tertiaires, répartis entre Lyon et Grenoble. Le démonstrateur intègre le consommateur, les installations d’énergies renouvelables (photovoltaïque, hydroélectricité,…), les véhicules électriques et les compteurs communicants Linky.

Plus spécifiquement, le projet SOGRID se consacre au développement d’une puce électronique de nouvelle génération qui équipera les millions de matériels connectés au réseau électrique. Il leur permettra de communiquer entre eux pour constituer ce réseau intelligent. 

Les transports seront décarbonés

Dans le secteur des transports, les projets s’intéressent à l’hybridation des moteurs thermiques, avec notamment le développement d’une voiture hybride essence et air comprimé (projet Hybrid air). Plusieurs projets sont consacrés aux solutions de recharge des voitures électrique. L’ADEME mène aussi des expérimentations pour développer de nouveaux services de mobilité, par exemple, l’autopartage et le covoiturage, notamment avec le projet Accélérer et Unir les offres de Déplacements en Autopartage, Covoiturage et véhicules Electriques (Au-dace). Ce projet vise à créer des passerelles entre ces alternatives aux côtés des transports publics.

Le projet OPTIMOD’Lyon cherche à accélérer le report modal de la voiture particulière vers les transports en commun en créant une plate-forme d’informations sur la mobilité du territoire. L’idée est de pouvoir proposer des informations très précises sur les conditions de mobilité prévisibles en temps réel et permettre de calculer le meilleur trajet pour aller d’un point A à un point B en fonction de différents critères entrés par l’utilisateur. L’outil permettra aussi d’optimiser les tournées de livraison.

Par Matthieu Combe, journaliste scientifique

Cellules solaires organiques : des molécules simples comme alternatives aux polymères

Utiliser des molécules organiques pour produire des cellules photovoltaïques aux performances comparables à celles, en silicium, des panneaux solaires proposés aujourd’hui sur le marché. Tel est l’objectif de nombreuses équipes de recherche dans le monde qui, depuis le début des années 2000, se livrent à une intense compétition. Si l’utilisation des polymères est la plus répandue des deux voies qui font actuellement l’objet de développements en laboratoire, l’autre voie, initiée en 2005 par Moltech-Anjou, l’Institut des Sciences et Technologies Moléculaires d’Angers (CNRS/Université d’Angers), qui consiste à utiliser des molécules organiques solubles de structures parfaitement définie, a été reprise depuis par de nombreux laboratoires. Soulignons que celle-ci a permis d’obtenir récemment des rendements de conversion électrique de plus de 7%, ceux des cellules à base de polymères se situant entre 8 et 9%.

Reste que la production de ces molécules est difficile, les plus performantes d’entre elles nécessitant 12 étapes de synthèse, qui plus est avec un rendement global inférieur à 0,10%, peu compatible avec une production à l’échelle industrielle. Aussi les chercheurs de Moltech-Anjou se sont-ils lancés dans la recherche de molécules plus simples présentant un effet photovoltaïque intéressant. D’où leur choix d’une famille de molécules à base de triarylamines, dont la synthèse ne nécessite que peu d’étapes. Dans un deuxième temps, ils ont cherché à optimiser certaines propriétés de ces molécules (capacité d’absorption de la lumière, niveaux d’énergie, stabilité ou encore mobilité des charges électriques). Un véritable travail d’ingénierie moléculaire consistant à ajouter, selon les besoins, certains types de liaisons ou de groupements chimiques, qui les a conduit à développer des molécules de faible masse moléculaire dont le rendement de conversion électrique est d’environ 4%. Notons qu’il s’agit là d’un des rendements les plus élevés obtenus avec des molécules de structure aussi simple.

Ces travaux, dont les résultats sont publiés en ligne dans Chemistry : A European Journal, se poursuivent aujourd’hui, l’objectif des chercheurs étant d’améliorer non seulement les performances des cellules photovoltaïques mais aussi des procédés de synthèse, notamment en limitant l’utilisation des réactifs ou de solvants toxiques mais aussi de catalyseurs coûteux.

En savoir plus

Un avion solaire traverse les Etats-Unis

Le 16 juin, l’avion solaire Solar Impulse HB-SIA a atterri à l’aéroport de Dulles (près de Washington, D.C.). L’avion est parti de San Francisco le 3 mai en direction du District de Colombia, faisant étape à Phoenix en Arizona, puis Dallas au Texas – battant au passage le record du monde pour un vol en avion solaire avec 1.541 kilomètres parcourus – et ensuite Saint Louis. Une étape supplémentaire a dû être effectuée à Cincinnati en Ohio en raison d’un fort orage les 12 et 13 juin, avant un vol de 14 heures et quatre minutes pour rejoindre Washington, D.C. Enfin, cet avion particulier devrait terminer son périple à New York début juillet. Solar Impulse aura alors fait la démonstration qu’il est possible de traverser les Etats-Unis, en volant de jour comme de nuit, sans utiliser de carburant fossile. L’avion avait déjà effectué plusieurs vols (dont un vol de 26 heures) en Europe en 2010 et 2011 et avait même effectué un voyage jusqu’au Maroc en juin 2012. Un deuxième avion est en construction avec pour objectif un vol autour du monde en 2015.

Solar Impulse HB – SIA

Cette traversée des Etats-Unis est l’aboutissement d’un projet commencé en 2003, qui a bénéficié d’un budget de 90 millions d’euros sur 10 ans. A l’origine suisse, le projet rassemble désormais de nombreuses associations, organisations et entreprises dans le monde entier. Sur les aspects scientifiques et techniques, de nombreuses entreprises et universités ont collaboré. Citons par exemple l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, l’Agence Spatiale Européenne, Dassault Aviation, le groupe Solvay, Schindler ou encore Omega. Le projet est soutenu par la Commission européenne, il a été présenté en Suisse bien sûr, mais également en Chine et en Inde. Nous vous avions d’ailleurs parlé de plusieurs évènements et séminaires organisés sur ce sujet de part le monde [1].

Le modèle HB – SIA pèse 1.600 kg (soit l’équivalent d’une petite voiture), grâce à une structure ultralégère en fibre de carbone et à des efforts constants pour réduire au maximum la masse de l’avion. Il est ainsi 5 fois plus léger qu’un planeur traditionnel. Son envergure est équivalente à un A340 (environ 63 mètres). Il fonctionne grâce à quatre moteurs, alimentés par 12.000 cellules photovoltaïques installées sur ses ailes qui rechargent simultanément des batteries. Celles-ci sont utilisées lorsque l’appareil vole de nuit. Sa vitesse moyenne est de 70 km/h, avec une vitesse au décollage de 44km/h. Il peut voler à une altitude maximum d’environ 8.500 mètres.

Les deux pilotes et fondateurs du projet, Bertrand Piccard et Andre Borschberg ont donc dû se former sur des simulateurs de vols pour faire voler cet avion ultra léger, très sensible aux vents (et autres perturbations) et très lent. En effet, la gigantesque envergure de l’avion (63,4 m de l’ordre de celle d’un Airbus A340) et son très faible poids le rendent difficile à piloter. Les deux pilotes ont témoigné de la difficulté, lors de simulations, à s’aligner avec la piste. Ils atterrissaient systématiquement à côté ! Avec de l’entrainement, ils comprirent que l’avion était très lent à réagir et qu’il fallait entamer toute manoeuvre bien à l’avance. La stabilité de l’avion est également différente. Alors qu’un avion de ligne classique peut prendre sans danger un virage avec un angle de 30 ou 35 degrés avec l’horizontale, Solar Impulse HB – SIA n’a qu’une marge de manoeuvre de 5 degrés. L’avion devenant instable au-delà d’une telle inclinaison. Il a donc fallu construire des capteurs très précis, réglés comme des horloges … et une horloge suisse puisque c’est la prestigieuse firme Omega qui leur est venue en aide en s’associant au projet !

It’s the chemistry, stupid!

Comment fait-on voler un avion solaire ? « Grâce à la chimie » ont répondu, lors d’une conférence de presse à Washington le 18 juin, George Corbin et Claude Michel [2], qui ont travaillé sur le projet Solar Impulse pour développer des composants et améliorer l’efficacité énergétique, au sein du groupe Solvay, leader mondial dans le domaine de la chimie.

En effet, en moyenne sur 24 heures, un mètre carré de surface terrestre reçoit l’équivalent de 40 Watts d’énergie solaire, soit 250 fois moins que ce que permet de produire un litre de carburant traditionnel. Il faut environ 40 W pour faire voler 8 kg et il a donc fallu installer près de 200 m2 de cellules photovoltaïques sur les ailes de l’avion [3]. Le moteur de l’avion peut donc atteindre une puissance de 6 kW, soit l’équivalent d’un scooter.

Les ingénieurs du projet ont choisi d’utiliser des cellules photovoltaïques avec un rendement de 22%, fruit d’un compromis entre efficacité et poids (il aurait été possible d’installer des cellules photovoltaïques plus efficaces mais leur masse aurait été trop importante). Les batteries au lithium polymère représentent actuellement 400 kg, soit plus du quart de la masse totale de l’avion. Le poids de l’ensemble des autres composants de l’avion a été réduit au maximum, grâce à l’utilisation de matériaux avancés pour optimiser le poids total de l’avion, notamment en utilisant des fibres de carbone qui servent habituellement à construire des coques de bateaux à voiles.

Les batteries représentent une limite pour le développement des avions solaires et la plupart des défis restant à relever sont liés au stockage de l’énergie. Comme l’a expliqué George Corbin, cela relève directement de la chimie. Selon lui, pour améliorer cet avion solaire, il faut désormais concentrer les efforts sur la « densité énergétique », pour pouvoir stocker davantage d’énergie.

Améliorer l’efficacité énergétique dans les airs et au sol

Ernest Moniz, le nouveau secrétaire américain à l’énergie a salué ce projet lors d’une conférence de presse [4], lundi 17 juin à Dulles. Selon lui, ce vol solaire ne changera pas demain le transport aérien mais il pourrait en revanche contribuer à améliorer l’efficacité de nos véhicules et nos bâtiments.

Comme l’a rappelé André Borschberg dans une interview, en direct du cockpit, à près de 10 km d’altitude, l’aviation ne représente qu’une petite partie des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Le potentiel est donc bien plus important au sol. Or, précisément, les innovations et les matériaux utilisés pour construire l’avion ne sont pas, pour la plupart, spécifiques au secteur aérien et ils pourraient être utilisés dans d’autres secteurs.

Par exemple, l’isolation de l’avion lui permet de conserver la chaleur dégagée par les batteries au lithium, alors que la température extérieure peut varier descendre jusqu’à -40°C la nuit. Ernest Moniz a également mentionné les recherches sur les batteries qui serviront pour les véhicules électriques, encouragés par le DOE [4] ainsi que pour les ordinateurs et téléphones portables. De même, le film protecteur transparent (composé de polymères fluorés) développé pour protéger les panneaux solaires situés sur les ailes des chocs et des altérations (corrosion, changements de température) sans les alourdir, pourrait trouver de nombreuses utilisations dans d’autres secteurs, notamment pour des panneaux solaires terrestres. Les polymères utilisés pour remplacer les différents composants de l’avion, qui sont d’habitude faits en métal, serviront pour différents appareils électroniques. Enfin, les recherches pour réaliser une structure à la fois légère et ultra-résistante (« nid d’abeilles » entre deux couches de fibres de carbone) pourront être utilisées pour des avions traditionnels.

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Par XERFI Canal