Un fluide peut stocker l’\u00e9nergie solaire et la lib\u00e9rer sous forme de chaleur des mois plus tard<\/p>\n
Le chauffage repr\u00e9sente pr\u00e8s de la moiti\u00e9 de la demande \u00e9nerg\u00e9tique mondiale, et les deux tiers de cette demande sont satisfaits par la combustion de combustibles fossiles comme le gaz naturel, le p\u00e9trole et le charbon. L’\u00e9nergie solaire est une alternative possible, mais bien que nous soyons devenus relativement comp\u00e9tents pour stocker l’\u00e9lectricit\u00e9 solaire dans des batteries lithium-ion, nous ne sommes pas aussi performants pour stocker la chaleur.<\/p>\n
Pour stocker la chaleur pendant des jours, des semaines ou des mois, il faut pi\u00e9ger l’\u00e9nergie dans les liaisons d’une mol\u00e9cule qui peut ensuite lib\u00e9rer de la chaleur sur demande. L’approche de ce probl\u00e8me chimique particulier s’appelle le stockage d’\u00e9nergie solaire thermique mol\u00e9culaire (MOST). Bien qu’elle soit annonc\u00e9e comme la prochaine grande innovation depuis des d\u00e9cennies, elle n’a jamais vraiment d\u00e9coll\u00e9.<\/p>\n
Dans un article r\u00e9cent publi\u00e9 dans Science, une \u00e9quipe de chercheurs de l’Universit\u00e9 de Californie \u00e0 Santa Barbara et de l’UCLA d\u00e9montre une perc\u00e9e qui pourrait enfin rendre le stockage d’\u00e9nergie MOST efficace.<\/p>\n
Le lien avec l’ADN<\/p>\n
Par le pass\u00e9, les solutions de stockage d’\u00e9nergie MOST ont \u00e9t\u00e9 affect\u00e9es par des performances d\u00e9cevantes. Les mol\u00e9cules ne stockaient pas assez d’\u00e9nergie, se d\u00e9gradaient trop rapidement ou n\u00e9cessitaient des solvants toxiques qui les rendaient impraticables. Pour contourner ces probl\u00e8mes, l’\u00e9quipe dirig\u00e9e par Han P. Nguyen, chimiste \u00e0 l’Universit\u00e9 de Californie \u00e0 Santa Barbara, s’est inspir\u00e9e des dommages g\u00e9n\u00e9tiques caus\u00e9s par les coups de soleil. L’id\u00e9e \u00e9tait de stocker l’\u00e9nergie en utilisant une r\u00e9action similaire \u00e0 celle qui permet \u00e0 la lumi\u00e8re UV d’endommager l’ADN.<\/p>\n
Lorsque vous restez trop longtemps \u00e0 la plage, la lumi\u00e8re ultraviolette \u00e0 haute \u00e9nergie peut provoquer la liaison de bases adjacentes dans l’ADN (la thymine, le T dans le code g\u00e9n\u00e9tique). Cela forme une structure connue sous le nom de l\u00e9sion (6-4). Lorsque cette l\u00e9sion est expos\u00e9e \u00e0 encore plus de lumi\u00e8re UV, elle se d\u00e9forme en une forme encore plus \u00e9trange appel\u00e9e isom\u00e8re de Dewar. En biologie, c’est plut\u00f4t une mauvaise nouvelle, car les isom\u00e8res de Dewar provoquent des plis dans la double h\u00e9lice de l’ADN qui perturbent la copie de l’ADN et peuvent conduire \u00e0 des mutations ou au cancer.<\/p>\n
Pour contrer cet effet, l’\u00e9volution a fa\u00e7onn\u00e9 une enzyme sp\u00e9cifique appel\u00e9e photolyase pour traquer les l\u00e9sions (6-4) et les faire revenir \u00e0 leurs formes stables et s\u00fbres.<\/p>\n
Les chercheurs ont r\u00e9alis\u00e9 que l’isom\u00e8re de Dewar est essentiellement une batterie mol\u00e9culaire. Cet effet de retour brusque \u00e9tait exactement ce que l’\u00e9quipe de Nguyen recherchait, car il lib\u00e8re beaucoup de chaleur.<\/p>\n
Carburant rechargeable<\/p>\n
Les batteries mol\u00e9culaires, en principe, sont extr\u00eamement efficaces pour stocker l’\u00e9nergie. Le mazout, sans doute la batterie mol\u00e9culaire la plus populaire que nous utilisons pour le chauffage, est essentiellement de l’\u00e9nergie solaire ancienne stock\u00e9e dans des liaisons chimiques. Sa densit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique se situe autour de 40 m\u00e9gajoules par kilo. Pour mettre cela en perspective, les batteries lithium-ion contiennent g\u00e9n\u00e9ralement moins d’un MJ\/kg. L’un des probl\u00e8mes avec le mazout, cependant, est qu’il est \u00e0 usage unique : il est br\u00fbl\u00e9 lorsque vous l’utilisez. Ce que Nguyen et ses coll\u00e8gues visaient \u00e0 r\u00e9aliser avec leur substance inspir\u00e9e de l’ADN est essentiellement un carburant r\u00e9utilisable.<\/p>\n
Pour ce faire, les chercheurs ont synth\u00e9tis\u00e9 un d\u00e9riv\u00e9 de la 2-pyrimidone, un cousin chimique de la thymine pr\u00e9sente dans l’ADN. Ils ont con\u00e7u cette mol\u00e9cule pour qu’elle se replie de mani\u00e8re fiable en isom\u00e8re de Dewar sous la lumi\u00e8re du soleil, puis se d\u00e9plie sur commande. Le r\u00e9sultat \u00e9tait un carburant rechargeable qui pouvait absorber l’\u00e9nergie lorsqu’il \u00e9tait expos\u00e9 \u00e0 la lumi\u00e8re du soleil, la lib\u00e9rer au besoin et revenir \u00e0 un \u00e9tat d\u00e9tendu o\u00f9 il \u00e9tait pr\u00eat \u00e0 \u00eatre recharg\u00e9.<\/p>\n
Les tentatives pr\u00e9c\u00e9dentes de syst\u00e8mes MOST ont eu du mal \u00e0 rivaliser avec les batteries lithium-ion. Le norbornadi\u00e8ne, l’un des candidats les plus \u00e9tudi\u00e9s, plafonne \u00e0 environ 0,97 MJ\/kg. Un autre concurrent, l’azaborinine, ne g\u00e8re que 0,65 MJ\/kg. Ils peuvent \u00eatre scientifiquement int\u00e9ressants, mais ils ne vont pas chauffer votre maison.<\/p>\n
Le syst\u00e8me bas\u00e9 sur la pyrimidone de Nguyen a pulv\u00e9ris\u00e9 ces chiffres. Les chercheurs ont atteint une densit\u00e9 de stockage d’\u00e9nergie de 1,65 MJ\/kg, soit pr\u00e8s du double de la capacit\u00e9 des batteries lithium-ion et nettement sup\u00e9rieure \u00e0 tout mat\u00e9riau MOST pr\u00e9c\u00e9dent.<\/p>\n
Doubles anneaux<\/p>\n
La raison de ce bond de performance \u00e9tait ce que l’\u00e9quipe a appel\u00e9 la contrainte compos\u00e9e.<\/p>\n
Lorsque la mol\u00e9cule de pyrimidone absorbe la lumi\u00e8re, elle ne se replie pas simplement ; elle se tord en une structure bicyclique fusionn\u00e9e contenant deux anneaux diff\u00e9rents \u00e0 quatre membres : le 1,2-dihydroaz\u00e8te et le diaz\u00e9tidine. Les anneaux \u00e0 quatre membres sont soumis \u00e0 une tension structurelle immense. En les fusionnant, les chercheurs ont cr\u00e9\u00e9 une mol\u00e9cule qui cherche d\u00e9sesp\u00e9r\u00e9ment \u00e0 revenir \u00e0 son \u00e9tat d\u00e9tendu.<\/p>\n
Atteindre une densit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique \u00e9lev\u00e9e sur le papier est une chose. La faire fonctionner dans le monde r\u00e9el en est une autre. Une d\u00e9faillance majeure des syst\u00e8mes MOST pr\u00e9c\u00e9dents est qu’ils sont solides et doivent \u00eatre dissous dans des solvants comme le tolu\u00e8ne ou l’ac\u00e9tonitrile pour fonctionner. Les solvants sont l’ennemi de la densit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique : en diluant votre carburant \u00e0 une concentration de 10 pour cent, par exemple, vous r\u00e9duisez effectivement votre densit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique de 90 pour cent. Tout solvant utilis\u00e9 signifie moins de carburant.<\/p>\n
L’\u00e9quipe de Nguyen a r\u00e9solu ce probl\u00e8me en concevant une version de leur mol\u00e9cule qui est liquide \u00e0 temp\u00e9rature ambiante, elle n’a donc pas besoin de solvant. Cela a consid\u00e9rablement simplifi\u00e9 les op\u00e9rations, car le carburant liquide pouvait \u00eatre pomp\u00e9 \u00e0 travers un capteur solaire pour le charger et le stocker dans un r\u00e9servoir.<\/p>\n
Contrairement \u00e0 de nombreuses mol\u00e9cules organiques qui d\u00e9testent l’eau, le syst\u00e8me de Nguyen est compatible avec les environnements aqueux. Cela signifie que si un tuyau fuit, vous ne r\u00e9pandez pas de fluides toxiques comme le tolu\u00e8ne dans votre maison. Les chercheurs ont m\u00eame d\u00e9montr\u00e9 que la mol\u00e9cule pouvait fonctionner dans l’eau et que sa lib\u00e9ration d’\u00e9nergie \u00e9tait suffisamment intense pour la faire bouillir.<\/p>\n
Le syst\u00e8me de chauffage bas\u00e9 sur MOST, affirme l’\u00e9quipe dans son article, ferait circuler ce carburant rechargeable \u00e0 travers des panneaux sur le toit pour capter la lumi\u00e8re du soleil, puis le stockerait dans un r\u00e9servoir au sous-sol. Le carburant de ce r\u00e9servoir serait ensuite pomp\u00e9 vers une chambre de r\u00e9action avec un catalyseur acide qui d\u00e9clenche la lib\u00e9ration d’\u00e9nergie. Ensuite, par le biais d’un \u00e9changeur de chaleur, cette \u00e9nergie chaufferait l’eau du syst\u00e8me de chauffage central standard.<\/p>\n
Mais il y a un probl\u00e8me.<\/p>\n
\u00c0 la recherche de la fuite<\/p>\n
Le premier obstacle est le spectre de lumi\u00e8re qui fournit de l’\u00e9nergie au carburant de Nguyen. Le Soleil nous baigne dans un large spectre de lumi\u00e8re, de l’infrarouge \u00e0 l’ultraviolet. Id\u00e9alement, un capteur solaire devrait utiliser autant de cette lumi\u00e8re que possible, mais les mol\u00e9cules de pyrimidone n’absorbent la lumi\u00e8re que dans la plage UV-A et UV-B, autour de 300-310 nm. Cela repr\u00e9sente environ cinq pour cent du spectre solaire total. La grande majorit\u00e9 de l’\u00e9nergie du Soleil, la lumi\u00e8re visible et l’infrarouge, traverse les mol\u00e9cules de Nguyen sans les charger.<\/p>\n
Le deuxi\u00e8me probl\u00e8me est le rendement quantique. C’est une fa\u00e7on sophistiqu\u00e9e de demander : \u00ab Pour 100 photons qui frappent la mol\u00e9cule, combien parviennent r\u00e9ellement \u00e0 basculer vers l’\u00e9tat d’isom\u00e8re de Dewar ? \u00bb Pour ces pyrimidones, la r\u00e9ponse est un nombre plut\u00f4t d\u00e9cevant, \u00e0 un chiffre. Un faible rendement quantique signifie que le fluide a besoin d’une exposition plus longue \u00e0 la lumi\u00e8re du soleil pour obtenir une charge compl\u00e8te.<\/p>\n
Les chercheurs \u00e9mettent l’hypoth\u00e8se que la mol\u00e9cule a une fuite rapide, ce qui signifie une voie de d\u00e9sactivation non radiative o\u00f9 la mol\u00e9cule excit\u00e9e dissipe l’\u00e9nergie sous forme de chaleur imm\u00e9diatement au lieu de se tordre dans la forme de stockage. Colmater cette fuite est le prochain grand d\u00e9fi pour l’\u00e9quipe.<\/p>\n
Enfin, l’\u00e9quipe dans ses exp\u00e9riences a utilis\u00e9 un catalyseur acide qui \u00e9tait m\u00e9lang\u00e9 directement dans le mat\u00e9riau de stockage. L’\u00e9quipe admet que dans un futur dispositif en boucle ferm\u00e9e, cela n\u00e9cessiterait une \u00e9tape de neutralisation, une r\u00e9action qui \u00e9limine l’acidit\u00e9 apr\u00e8s la lib\u00e9ration de la chaleur. \u00c0 moins que les produits de r\u00e9action puissent \u00eatre purifi\u00e9s, cela r\u00e9duira la densit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique du syst\u00e8me.<\/p>\n
Pourtant, malgr\u00e9 les probl\u00e8mes d’efficacit\u00e9, la stabilit\u00e9 du syst\u00e8me de Nguyen semble prometteuse.<\/p>\n
Le stockage MOST ?<\/p>\n
L’une des plus grandes craintes avec le stockage chimique est la r\u00e9version thermique : le carburant se d\u00e9charge spontan\u00e9ment parce qu’il a fait un peu trop chaud dans le r\u00e9servoir de stockage. Mais les isom\u00e8res de Dewar des pyrimidones sont incroyablement stables. Les chercheurs ont calcul\u00e9 une demi-vie allant jusqu’\u00e0 481 jours \u00e0 temp\u00e9rature ambiante pour certains d\u00e9riv\u00e9s. Cela signifie que le carburant pourrait \u00eatre charg\u00e9 dans la chaleur de juillet et resterait compl\u00e8tement charg\u00e9 lorsque vous avez besoin de chauffer votre maison en janvier. Les chiffres de d\u00e9gradation semblent \u00e9galement corrects pour un stockage d’\u00e9nergie MOST. L’\u00e9quipe a fait fonctionner le syst\u00e8me \u00e0 travers 20 cycles de charge-d\u00e9charge avec une d\u00e9gradation n\u00e9gligeable.<\/p>\n
Le probl\u00e8me de la s\u00e9paration de l’acide du carburant pourrait \u00eatre r\u00e9solu dans un syst\u00e8me pratique en passant \u00e0 un catalyseur diff\u00e9rent. Les scientifiques sugg\u00e8rent dans l’article que dans cette configuration hypoth\u00e9tique, le carburant s’\u00e9coulerait \u00e0 travers une surface solide fonctionnalis\u00e9e \u00e0 l’acide pour lib\u00e9rer de la chaleur, \u00e9liminant ainsi le besoin de neutralisation par la suite.<\/p>\n
Pourtant, nous sommes assez loin d’utiliser des syst\u00e8mes MOST pour chauffer de vraies maisons. Pour y parvenir, nous aurons besoin de mol\u00e9cules qui absorbent beaucoup plus du spectre lumineux et se convertissent \u00e0 l’\u00e9tat activ\u00e9 avec une efficacit\u00e9 plus \u00e9lev\u00e9e. Nous n’y sommes tout simplement pas encore.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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