Catalogue de la place OIKOS
Notre planète est un environnement presque clos ayant des moyens limités et elle sera bientôt incapable de supporter plus longtemps notre demande énergétique croissante. Jusqu’à présent, l’eau, l’énergie ou les aliments ont été considérés comme des biens abondants et presque illimités dont l’accès dépendait uniquement de la capacité technologique permettant de les extraire et de les consommer. Il est difficile d’envisager une transition, pourtant nécessaire vers une société de « consommation zéro», utilisant les ressources avec la plus grande modération et recyclant les produits au moindre coût.
L’utilisation massive des combustibles fossiles à partir de la révolution industrielle a amélioré la qualité de vie de l’homme mais a entraîné également un changement drastique dans l’exploitation des ressources d’eau, de la santé et des services en général, ce qui a permis une explosion démographique sans précédent dans l’histoire de l’espèce humaine. Ce développement technologique, initié pendant la révolution industrielle, a engendré une grande capacité de modification et d’agression de l’environnement. C’est ainsi que la niche écologique, qui a permis le développement de l’homme pendant des centaines de milliers d’années, est dramatiquement de plus en plus menacée.
Si l’eau et l’énergie sont des éléments fondamentaux pour notre bien-être, ils le sont également pour la survie de notre société et de notre espèce. L’organisation économique de notre société, basée sur l’idée d’un développement continu au moyen de ressources illimitées, ne semble pas capable de trouver une réponse permettant de faire face à l’urgence et à l’importance de la situation. Le meilleur bilan annuel d’une entreprise aux objectifs strictement financiers ou les programmes politiques des élections tenues tous les quatre ans dotés d’une stratégie de succès enveloppent, voilent et cachent sous un rideau d’exigences urgentes les besoins les plus élémentaires de la Terre que nous laisserons en héritage à nos descendants.
La recherche de solutions doit commencer par une analyse des schémas basiques de création, de transformation, de distribution et de consommation d’énergie. L’efficacité limitée des mécanismes et des réseaux actuels présentent l’économie d’énergie comme une première mesure indispensable. D’autre part, il est fondamental d’étudier le bilan énergétique net de la planète afin de déterminer les sources disponibles à long terme et la quantité de chacune d’entre elles, en se basant sur les besoins de la population et sur la technologie existante.
D’après des études, les réserves d’énergie fossile (pétrole, charbon, gaz naturel) seront épuisées à court terme (dans quelques générations) et une énorme quantité d’énergie est gaspillée dans les nombreuses étapes entre l’extraction et l’utilisation de l’énergie. Jusqu’à 84% de l’énergie est gaspillée dans ce processus basique de fabrication et de transport dans les pays développé, sans mentionner que le consommateur utilise l’énergie de manière inefficace et inadaptée.
Dans ce contexte, il est nécessaire de considérer que si l’apport de six unités de combustibles au système coûte et pollue dans son ensemble, seule une de ces six unités revient au consommateur. Le même résultat peut être obtenu en améliorant le système ce qui permettrait d’économiser une unité et limiterait ainsi la consommation et la pollution équivalents à six unités. Améliorer la technologie énergétique est par conséquent beaucoup plus efficace que la recherche de nouvelles sources d’énergie.
La vie en général et l’espèce humaine en particulier ont évolué grâce aux rayonnements solaires. Les variations de l’énergie solaire jour après jour, saison après saison, année après année, sont la dynamique de la chimie de l’eau, de l’air et du charbon sur Terre, matérialisant dans la science actuelle l’ancien mythe des Quatre éléments. La fonction de la chlorophylle, base de ce processus de synthèse solaire de matière organique est un processus complexe avec un rendement énergétique très faible (moins de 0,1%) en comparaison avec le réseau énergétique actuel peu efficace.
La source d’énergie renouvelable la plus sûre et la plus abondante est, sans aucun doute, le rayonnement solaire direct, non seulement car elle est la base de toutes les autres énergies grâce à sa quantité mais également en raison de sa distribution sur toute la surface de la planète. Les besoins de consommation de notre société (transport, utilisation domestique et industrielle) pourraient être couverts avec une partie du rayonnement disponible exploité au moyen des technologies dont nous disposons actuellement.
Pour ce faire, il ne faut pas oublier que, au cours des centaines de millions d’années, la vie sur terre a évolué en s’alimentant presque exclusivement du soleil . Il est peut-être maintenant temps que l’humanité lève de nouveau ses yeux vers le ciel à la recherche de l’énergie qui a alimenté ses racines depuis le début des temps.
À l’heure actuelle, l’électricité est probablement le vecteur énergétique le plus flexible en raison de sa transformation, facile et efficace, en d’autres utilisations comme par exemple: la chaleur d’un four, la lumière d’une ampoule, le mouvement d’un moteur, l’hydrogène de combustible chimique par électrolyse, etc. La conversion directe du rayonnement solaire en électricité est techniquement possible depuis presque deux siècles et est obtenue avec un rendement supérieur à celui obtenu dans le processus de photosynthèse, au cours de laquelle la chlorophylle absorbe les rayons solaires et utilise cette énergie dans l'élaboration d’hydrates de carbone.
Malgré cela, les combustibles non-renouvelables sont utilisés massivement et cette source d’énergie est limitée à une utilisation restreinte dans des applications marginales (satellites artificiels, répéteurs isolés des communications, postes de mesures satellites, etc.) là où l’accès au combustible chimique ou au réseau électrique est impossible ou compliqué. La conversion photovoltaïque consiste à transformer l'énergie de la lumière (rayonnement ultraviolet, visible et infrarouge) en énergie électrique lors de l’union entre un semi-conducteur et un métal, ou lors de l’union de deux semi-conducteurs, qui est dans ce cas l’option la plus efficace. Ces cellules solaires commerciales sont élaborées sur la base de silicium pur.
Dernièrement, les besoins croissants de silicium destinés à la création d’électricité photovoltaïque se sont ajoutés aux besoins de l’industrie de circuits électroniques et la capacité de production des usines, peu nombreuses, de production et de raffinage de silicium est arrivée à saturation. Il est par conséquent nécessaire de chercher des éléments alternatifs capables de convertir l’énergie solaire en électricité au moyen de technologies efficaces, peu coûteuses et viables dans un marché concurrentiel après le processus d’industrialisation correspondant.
L’utilisation de phénomènes photovoltaïques et photoélectrochimiques dans différents types de tuiles solaires, en plaçant sur celles-ci des couches de diodes, de collecteurs à faible coût et de matières premières naturelles permet de réduire les prix de fabrication et d’obtenir une puissance maximale au moyen d’un réseau d’interconnections en série et en parallèle. Il est possible d’ajouter une pile à combustible de 1 à 5 kW afin de stocker l’énergie solaire obtenue lors du processus d’électrolyse de l’eau et d’utiliser l’énergie de cette pile à combustible lorsqu’il n’y a pas de lumière. Les découvertes de Becquerel, inventeur de l’effet photovoltaïque, et de Grove, inventeur de la pile à combustible, datant toutes deux de 1839, sont unies ici de façon fortuite. Les deux inventions reposent sur une simple intégration énergétique qui serait une solution idéale pour développer des bâtiments autosuffisants.
Lors de la réaction électrolytique, la molécule d’eau se sépare de ses composants. L’hydrogène se libère dans la cathode sous pression atmosphérique et produit des impuretés (des petites quantités de vapeur d’eau et d’oxygène). De plus, il y a une production d’oxygène dans l’anode équivalent à la moitié du volume d’H2 produit. Le procédé consomme beaucoup d’énergie électrique mais il est intéressant financièrement car il s’agit d’une production d’électricité bon marché et car le 02 (sous-produit) est utilisé, ce qui augmente sa valeur ajoutée. Le H2 résultant de l’électrolyse est séché, compressé et les impuretés sont éliminées avec un convertisseur catalytique.
L’utilisation d’hydrogène comme carburant pour les véhicules est encore au stade de recherche et de développement. Cependant, la majorité des fabricants de voitures ont déjà développé des prototypes de voitures propulsées à l'hydrogène, composées de moteur à combustion interne, et de voitures propulsées par des piles à combustible. Une série de véhicules propulsés à l'hydrogène sont prêts et des stations de carburant ont été installées partout dans le monde parallèlement à d’autres projets. Comparés à d’autres véhicules utilisant des carburants alternatifs, les véhicules propulsés à l'hydrogène sont probablement ceux qui ne seront jamais commercialisés. La majorité des fabricants préfèrent les véhicules propulsés par des piles à combustible aux véhicules propulsés à l'hydrogène avec un moteur à combustion interne.
Un stockage d’hydrogène facile et économique est une condition essentielle à l’utilisation généralisée de l’hydrogène. Cela représente un véritable défi si l’on compare l’hydrogène aux combustibles fossiles en raison de sa faible densité énergétique volumique de ce gaz. Dans l’industrie, le stockage d’hydrogène est habituel et sûr et fournit le service souhaité. De plus, l’hydrogène peut être stocké facilement à grande échelle dans des cavités souterraines.
Le développement des technologies à base d’hydrogène peut être comparé au développement de l’électricité à la fin du XIXe siècle et aucune des deux technologies ne constituent une source d’énergie primaire. Son utilisation comme simple intermédiaire dans le système énergétique requiert des transformations qui réduisent l’efficacité globale du système, l’hydrogène ne pouvant pas être utilisé à l’état brut, ce qui peut compliquer le processus et le rendre plus coûteux et plus délicat. Néanmoins, le développement technologique du XXe siècle n’aurait pas pu avoir lieu sans l’intervention de l’électricité, comme vecteur de transport et de manipulation de l’énergie, et il est probable que l’hydrogène connaisse la même évolution.
Si les piles à combustible sont très convoitées par l’industrie automobile, elles pourraient l’être également au niveau domestique. En effet, elles peuvent être utilisées pour chauffer, produire de l’eau chaude et fournir de l’électricité. Il s’agit d’un générateur silencieux, non-polluant et au rendement élevé et c’est pour cela que la pile à combustible est le système le plus intéressant pour fournir de la chaleur et de l’électricité aux résidences privées ou à d’autres bâtiments, de service publics par exemple (écoles, hôpitaux, bibliothèques) ou aux bâtiments industriels. La chaleur résiduelle est facilement réutilisable comme chauffage ou comme eau chaude sanitaire et peut être stockée dans le sous-sol ou par matériau à changement de phase.
À grande échelle, les piles à combustible et l’hydrogène pourraient servir à créer un stock d’énergie pendant les périodes de faibles demandes, énergie qui serait utilisée pendant les périodes de hautes demandes, comme c’est le cas actuellement dans les centrales hydroélectriques de pompage-turbinage. L’obstacle principal à cette application est le prix actuel des dispositifs électrolyseurs, pour obtenir l’hydrogène à partir de l’eau, et des piles à combustible pour le processus inverse.
La capture directe de l’énergie solaire et le stockage de sa chaleur dans le sous-sol ou le stockage sous-forme d’hydrogène, après transformation par effet photovoltaïque et électrochimique, est une possibilité technologique actuelle qui nous permettrait d’envisager une génération de bâtiments autosuffisants.