Un fluide peut stocker l’énergie solaire et la libérer sous forme de chaleur des mois plus tard
Le chauffage représente près de la moitié de la demande énergétique mondiale, et les deux tiers de cette demande sont satisfaits par la combustion de combustibles fossiles comme le gaz naturel, le pétrole et le charbon. L’énergie solaire est une alternative possible, mais bien que nous soyons devenus relativement compétents pour stocker l’électricité solaire dans des batteries lithium-ion, nous ne sommes pas aussi performants pour stocker la chaleur.
Pour stocker la chaleur pendant des jours, des semaines ou des mois, il faut piéger l’énergie dans les liaisons d’une molécule qui peut ensuite libérer de la chaleur sur demande. L’approche de ce problème chimique particulier s’appelle le stockage d’énergie solaire thermique moléculaire (MOST). Bien qu’elle soit annoncée comme la prochaine grande innovation depuis des décennies, elle n’a jamais vraiment décollé.
Dans un article récent publié dans Science, une équipe de chercheurs de l’Université de Californie à Santa Barbara et de l’UCLA démontre une percée qui pourrait enfin rendre le stockage d’énergie MOST efficace.
Le lien avec l’ADN
Par le passé, les solutions de stockage d’énergie MOST ont été affectées par des performances décevantes. Les molécules ne stockaient pas assez d’énergie, se dégradaient trop rapidement ou nécessitaient des solvants toxiques qui les rendaient impraticables. Pour contourner ces problèmes, l’équipe dirigée par Han P. Nguyen, chimiste à l’Université de Californie à Santa Barbara, s’est inspirée des dommages génétiques causés par les coups de soleil. L’idée était de stocker l’énergie en utilisant une réaction similaire à celle qui permet à la lumière UV d’endommager l’ADN.
Lorsque vous restez trop longtemps à la plage, la lumière ultraviolette à haute énergie peut provoquer la liaison de bases adjacentes dans l’ADN (la thymine, le T dans le code génétique). Cela forme une structure connue sous le nom de lésion (6-4). Lorsque cette lésion est exposée à encore plus de lumière UV, elle se déforme en une forme encore plus étrange appelée isomère de Dewar. En biologie, c’est plutôt une mauvaise nouvelle, car les isomères de Dewar provoquent des plis dans la double hélice de l’ADN qui perturbent la copie de l’ADN et peuvent conduire à des mutations ou au cancer.
Pour contrer cet effet, l’évolution a façonné une enzyme spécifique appelée photolyase pour traquer les lésions (6-4) et les faire revenir à leurs formes stables et sûres.
Les chercheurs ont réalisé que l’isomère de Dewar est essentiellement une batterie moléculaire. Cet effet de retour brusque était exactement ce que l’équipe de Nguyen recherchait, car il libère beaucoup de chaleur.
Carburant rechargeable
Les batteries moléculaires, en principe, sont extrêmement efficaces pour stocker l’énergie. Le mazout, sans doute la batterie moléculaire la plus populaire que nous utilisons pour le chauffage, est essentiellement de l’énergie solaire ancienne stockée dans des liaisons chimiques. Sa densité énergétique se situe autour de 40 mégajoules par kilo. Pour mettre cela en perspective, les batteries lithium-ion contiennent généralement moins d’un MJ/kg. L’un des problèmes avec le mazout, cependant, est qu’il est à usage unique : il est brûlé lorsque vous l’utilisez. Ce que Nguyen et ses collègues visaient à réaliser avec leur substance inspirée de l’ADN est essentiellement un carburant réutilisable.
Pour ce faire, les chercheurs ont synthétisé un dérivé de la 2-pyrimidone, un cousin chimique de la thymine présente dans l’ADN. Ils ont conçu cette molécule pour qu’elle se replie de manière fiable en isomère de Dewar sous la lumière du soleil, puis se déplie sur commande. Le résultat était un carburant rechargeable qui pouvait absorber l’énergie lorsqu’il était exposé à la lumière du soleil, la libérer au besoin et revenir à un état détendu où il était prêt à être rechargé.
Les tentatives précédentes de systèmes MOST ont eu du mal à rivaliser avec les batteries lithium-ion. Le norbornadiène, l’un des candidats les plus étudiés, plafonne à environ 0,97 MJ/kg. Un autre concurrent, l’azaborinine, ne gère que 0,65 MJ/kg. Ils peuvent être scientifiquement intéressants, mais ils ne vont pas chauffer votre maison.
Le système basé sur la pyrimidone de Nguyen a pulvérisé ces chiffres. Les chercheurs ont atteint une densité de stockage d’énergie de 1,65 MJ/kg, soit près du double de la capacité des batteries lithium-ion et nettement supérieure à tout matériau MOST précédent.
Doubles anneaux
La raison de ce bond de performance était ce que l’équipe a appelé la contrainte composée.
Lorsque la molécule de pyrimidone absorbe la lumière, elle ne se replie pas simplement ; elle se tord en une structure bicyclique fusionnée contenant deux anneaux différents à quatre membres : le 1,2-dihydroazète et le diazétidine. Les anneaux à quatre membres sont soumis à une tension structurelle immense. En les fusionnant, les chercheurs ont créé une molécule qui cherche désespérément à revenir à son état détendu.
Atteindre une densité énergétique élevée sur le papier est une chose. La faire fonctionner dans le monde réel en est une autre. Une défaillance majeure des systèmes MOST précédents est qu’ils sont solides et doivent être dissous dans des solvants comme le toluène ou l’acétonitrile pour fonctionner. Les solvants sont l’ennemi de la densité énergétique : en diluant votre carburant à une concentration de 10 pour cent, par exemple, vous réduisez effectivement votre densité énergétique de 90 pour cent. Tout solvant utilisé signifie moins de carburant.
L’équipe de Nguyen a résolu ce problème en concevant une version de leur molécule qui est liquide à température ambiante, elle n’a donc pas besoin de solvant. Cela a considérablement simplifié les opérations, car le carburant liquide pouvait être pompé à travers un capteur solaire pour le charger et le stocker dans un réservoir.
Contrairement à de nombreuses molécules organiques qui détestent l’eau, le système de Nguyen est compatible avec les environnements aqueux. Cela signifie que si un tuyau fuit, vous ne répandez pas de fluides toxiques comme le toluène dans votre maison. Les chercheurs ont même démontré que la molécule pouvait fonctionner dans l’eau et que sa libération d’énergie était suffisamment intense pour la faire bouillir.
Le système de chauffage basé sur MOST, affirme l’équipe dans son article, ferait circuler ce carburant rechargeable à travers des panneaux sur le toit pour capter la lumière du soleil, puis le stockerait dans un réservoir au sous-sol. Le carburant de ce réservoir serait ensuite pompé vers une chambre de réaction avec un catalyseur acide qui déclenche la libération d’énergie. Ensuite, par le biais d’un échangeur de chaleur, cette énergie chaufferait l’eau du système de chauffage central standard.
Mais il y a un problème.
À la recherche de la fuite
Le premier obstacle est le spectre de lumière qui fournit de l’énergie au carburant de Nguyen. Le Soleil nous baigne dans un large spectre de lumière, de l’infrarouge à l’ultraviolet. Idéalement, un capteur solaire devrait utiliser autant de cette lumière que possible, mais les molécules de pyrimidone n’absorbent la lumière que dans la plage UV-A et UV-B, autour de 300-310 nm. Cela représente environ cinq pour cent du spectre solaire total. La grande majorité de l’énergie du Soleil, la lumière visible et l’infrarouge, traverse les molécules de Nguyen sans les charger.
Le deuxième problème est le rendement quantique. C’est une façon sophistiquée de demander : « Pour 100 photons qui frappent la molécule, combien parviennent réellement à basculer vers l’état d’isomère de Dewar ? » Pour ces pyrimidones, la réponse est un nombre plutôt décevant, à un chiffre. Un faible rendement quantique signifie que le fluide a besoin d’une exposition plus longue à la lumière du soleil pour obtenir une charge complète.
Les chercheurs émettent l’hypothèse que la molécule a une fuite rapide, ce qui signifie une voie de désactivation non radiative où la molécule excitée dissipe l’énergie sous forme de chaleur immédiatement au lieu de se tordre dans la forme de stockage. Colmater cette fuite est le prochain grand défi pour l’équipe.
Enfin, l’équipe dans ses expériences a utilisé un catalyseur acide qui était mélangé directement dans le matériau de stockage. L’équipe admet que dans un futur dispositif en boucle fermée, cela nécessiterait une étape de neutralisation, une réaction qui élimine l’acidité après la libération de la chaleur. À moins que les produits de réaction puissent être purifiés, cela réduira la densité énergétique du système.
Pourtant, malgré les problèmes d’efficacité, la stabilité du système de Nguyen semble prometteuse.
Le stockage MOST ?
L’une des plus grandes craintes avec le stockage chimique est la réversion thermique : le carburant se décharge spontanément parce qu’il a fait un peu trop chaud dans le réservoir de stockage. Mais les isomères de Dewar des pyrimidones sont incroyablement stables. Les chercheurs ont calculé une demi-vie allant jusqu’à 481 jours à température ambiante pour certains dérivés. Cela signifie que le carburant pourrait être chargé dans la chaleur de juillet et resterait complètement chargé lorsque vous avez besoin de chauffer votre maison en janvier. Les chiffres de dégradation semblent également corrects pour un stockage d’énergie MOST. L’équipe a fait fonctionner le système à travers 20 cycles de charge-décharge avec une dégradation négligeable.
Le problème de la séparation de l’acide du carburant pourrait être résolu dans un système pratique en passant à un catalyseur différent. Les scientifiques suggèrent dans l’article que dans cette configuration hypothétique, le carburant s’écoulerait à travers une surface solide fonctionnalisée à l’acide pour libérer de la chaleur, éliminant ainsi le besoin de neutralisation par la suite.
Pourtant, nous sommes assez loin d’utiliser des systèmes MOST pour chauffer de vraies maisons. Pour y parvenir, nous aurons besoin de molécules qui absorbent beaucoup plus du spectre lumineux et se convertissent à l’état activé avec une efficacité plus élevée. Nous n’y sommes tout simplement pas encore.
