Stockage et conversion de l’énergie : synthèse et perspectives

La leçon de clôture de cette chaire a voulu rappeler les aspects problématiques du stockage, de la conversion de l’énergie, mais surtout faire une analyse synthétique i) des problèmes intrinsèques liés à l’efficacité des différentes chaînes énergétiques, ii) des approches et des tendances scientifiques poursuivies, et iii) de la structuration de la recherche pour estimer les chances de répondre à notre challenge énergétique de 2050, qui appelle à une consommation minimale d’énergies fossiles.

Un simple exercice a tout d’abord consisté, sur la base des rendements affichés lors du cours, pour i) la conversion d’énergie solaire en vecteur énergétique (électricité, hydrogène, bio fuels) et ii) la conversion d’énergie chimique en électricité, à établir les bilans énergétiques finaux de différents scénarios énergétiques allant du puits (énergie solaire) à la roue (véhicules électriques). De telles considérations, bien qu’approximatives, indiquent que l’efficacité énergétique du scénario [soleil → cellule photovoltaïque → réseau électrique → batterie → véhicule électrique] est de ≈ 10 %, comparée à ≈ 2.8 % et ≈ 0,05 % pour les scénarios respectifs [solaire-hydrogène-véhicule électrique] et [solaire-bio-véhicule électrique], alors que le scénario actuel [essence → véhicule thermique] présente une efficacité énergétique de 18 %. Dans ce contexte, compte tenu de la baisse du prix de l’énergie solaire (égal à celui du nucléaire en 2035) et du coût kWh batterie, le trio gagnant pour le futur semblerait être photovoltaïque → batterie → véhicule électrique.

Quels que soient les systèmes de stockage ou de conversion considérés, leur limite d’efficacité énergétique est constamment liée au manque de matériaux adéquats. Les matériaux sont définitivement au cœur de toute innovation et révolution technologique : nous disposons d’un tableau périodique riche de combinaisons, mais comment trouver rapidement la combinaison gagnante vu le temps limité qui nous est imparti ? L’intuition du chimiste est certes précieuse mais ne suffira plus. Elle devra être doublée de l’apport de la chimie théorique combinatoire prédictive de façon à faire, au niveau des matériaux, ce que tente de faire la génomique au niveau de la biologie. Il resterait alors à compter sur la main verte des chimistes pour synthétiser les matériaux fictifs potentiellement intéressants prédits par les théoriciens.

Dans le contexte actuel du développement durable, outre le fait de préparer une nouvelle phase, un effort tout particulier devra également être dédié à la simplification des procédés d’élaboration de ces matériaux. Des ruptures technologiques et non des améliorations incrémentales sont nécessaires. Pour cela, il faut sortir des sentiers battus et inciter le chimiste à explorer de nouvelles voies, voire à élaborer de nouveaux concepts de synthèse éco-efficaces. Il y a fort à parier qu’il continuera à s’inspirer de la chimie du vivant en intégrant plus fortement les approches bio-inspirées, biomimétiques, voire bio-sourcées, dont nous avons déjà évoqué l’émergence dans le domaine des batteries, du photovoltaïque ou de la photosynthèse artificielle. De plus, il ne fait aucun doute que la chimie de recyclage que nous avons mentionnée pour les batteries ou la chimie de traitement des déchets nucléaires va connaître un essor considérable. L’intégration réfléchie de plusieurs fonctions dans un même système apparaît dorénavant comme une opportunité pour préparer des systèmes intelligents. Ainsi, la possibilité de créer un système unique de cellulesolaire autonome en associant à la fois les fonctions de la batterie et celles de la cellule solaire n’est qu’un exemple des multiples combinaisons possibles.

En dehors de ces considérations scientifiques, une question légitime est de savoir ce qu’il faudrait encore pour augmenter nos chances de répondre à notre challenge de 2050 (produire 130 000 TWh supplémentaires d’énergie propre). En premier lieu, il y a nécessité de modifier notre paysage scientifique, notamment par un investissement scientifique et financier conséquent associé à une politique courageuse et volontariste de nos institutions. Les risques d’échouer dans cette course vers l’énergie propre sont infimes, si ce n’est celui de ne pouvoir le faire dans le temps qui nous est imparti. L’optimisme doit même régner car les principes des procédés impliqués dans la conversion du soleil en électricité ou de l’énergie chimique en électricité sont connus, il nous reste seulement à trouver comment les rentabiliser et les rendre efficaces à grande échelle d’ici 2050. En revanche, si l’on n’agit pas aujourd’hui, il est certain que l’on s’engage à changer pour le pire la vie sur notre planète pour les siècles à venir.

La solution finale au problème énergétique qui nous entoure ne sera pas unique mais regroupera un ensemble de solutions faisant fréquemment référence au « mix énergétique ». Dans le contexte actuel, les scientifiques ont de nombreuses responsabilités : celles i) d’assurer des analyses crédibles des différentes options énergétiques en conduisant des analyses de cycle de vie sérieuses, ii) de promouvoir des approches transdisciplinaires englobant la compétence de nombreux domaines scientifiques : de la qualité de ces interactions dépendront nos chances de succès ; iii) de trouver un équilibre entre recherche de nouveaux matériaux et recherche systémique, iv) de mobiliser et de fédérer tous les acteurs de la société concernés et de jouer le rôle de messager vis-à-vis de nos institutions.

L’énergie concerne notre planète, d’où la nécessité d’une approche mondiale fédératrice et concertée. La réalité est cependant différente, témoignant du paradoxe énergétique. Chaque pays crée en effet son propre programme, son propre agenda, voire ses propres infrastructures, alors qu’il vaudrait mieux créer des ponts que des murs. Le fait que le kWh est vu par certains comme notre prochaine unité monétaire est vraisemblablement à l’origine de ce comportement individualiste face un problème planétaire majeur qui appelle à l’union. Cependant, chaque pays veut profiter de cette économie verte pour réconcilier protection de l’environnement, création d’emplois et compétitivité de façon à se doter d’une une nouvelle croissance économique.

En guise de conclusion, j’insisterai à nouveau sur le fait que gérer-contrôler-manager l’énergie est le plus grand problème scientifique et technologique que notre planète va avoir à résoudre dans les cinquante prochaines années. Il nous appartient en tant que scientifiques d’alerter notre entourage mais surtout les jeunes afin de les intéresser, voire les enthousiasmer, à ce formidable challenge mais aussi sur les opportunités que la maîtrise de l’énergie représente pour les années à venir. C’était le but de ces cours.