Les applications des nanos dans le domaine de l'énergie
Les nanotechnologies peuvent apporter des réponses aux besoins énergétiques dans un contexte post-pétrole où l’on cherche à la fois à mieux capter, stocker, et économiser l’énergie. Elles pouuraient améliorer l'efficacité des procédés exploitant les énergies renouvelables et contribuer ainsi à la gestion durable des matières premières et à la protection de l'environnement.
Les applications nano pour mieux capter l’énergie, ou récupérer des énergies perdues
Les nanotechnologies ont déjà des applications permettant de mieux capter :
- l’énergie solaire en permettant la création de dispositifs photovoltaïques faciles à manipuler, durables et bon marché :
- dépôts successifs de couches d’épaisseurs nanométriques ;
- emploi de minéraux (notamment le silicium) possédant une structure interne nanostructurée ; les panneaux solaires développés jusqu’à ce jour ont un rendement faible qui ne dépasse pas 20%. Cette limite est due au silicium massif des cellules solaires qui n’absorbe qu’une fraction des rayons lumineux qui composent la lumière. En utilisant une surface constituée de nanofils de silice, les rendements des cellules voltaïques peuvent être augmentés jusqu'à 50 à 70%.
- emploi de molécules biologiques mimant la photosynthèse des plantes : des recherches sont faites sur des « cellules solaires chlorophylliennes » où le silicium est remplacé par des polymères incrustés de pigments ou chromophores (colorants comme la chlorophylle), greffés à la surface des nanoparticules de dioxyde de titane ou de sulfures de cadmium. Ces cellules peuvent être imprimées sur plastique et être intégrées à des téléphones portables, des textiles de tentes ou de couvertures, des carrosseries automobiles ou des tuiles. À terme un enduit photosolaire pourrait ainsi rendre toute surface disponible productrice d’électricité !
- dopage de cellules de silicium par l’incorporation en très faible concentration d’éléments chimiques (manganèse par exemple).
- application de peintures ou de sprays sur les toits ainsi transformés en collecteurs d’énergie solaire (à l'étude)
- l’énergie éolienne, via l'intégration de nanotubes de carbone aux pales du rotor, qui allègent leur poids tout en leur donnant une stabilité plus grande et assurent en outre une bien meilleure conductivité électrique et agissent comme un paratonnerre (un atout non négligeable puisque que 10 % des interruptions de fonctionnement d'entreprises sont liées au passage de la foudre). Les nanostructures en surface peuvent en outre empêcher les tourbillons, et contribuent ainsi à augmenter le rendement énergétique.
- l’énergie mécanique issue de sources environnementales comme des ultrasons, des vibrations, le flux sanguin grâce à des nanogénérateurs contenant des nanofils d’oxyde de zinc pouvant alors produire du courant électrique continu.
Les nanotechnologies pourraient aussi aider à récupérer la chaleur émise lors de la combustion interne dans les moteurs par des convertisseurs thermoélectriques, ou les émissions de CO2 d’usines thermoélectriques.
Les applications nano pour mieux stocker l'énergie
Les nanomatériaux (notamment les nanotubes de carbone) pourraient permettre de stocker l'hydrogène.
Les batteries lithium-ion utilisées pour les téléphones mobiles ou pour les ordinateurs portables restent trop chères et pas assez durables pour les voitures électriques. Des gains importants sont recherchés en associant des nanoparticules de lithium, manganèse, fer et/ou phosphate.
On cherche aussi à améliorer les capacités des piles à membranes (piles à combustibles avec nanopoudres de carbone).
Les applications nano pour faire des économies d'énergie
Les nanotechnologies pourraient permettre des économies d'énergie, en améliorant les rendements ou en diminuant les pertes.
- Dans le secteur de l’habitat, l’isolation des bâtiments pourra être renforcée par l’utilisation de nanomatériaux ultraporeux ou à changement de phase (qui sont capables d’absorber la chaleur pendant la journée et de la restituer quand il fait froid).
- Des progrès sont attendus aussi en matière d’éclairage, notamment avec les diodes électroluminescentes (LED) de nouvelle génération. Des pistes sont explorées avec des gels d’alumine, des alumines ultrapures, ou certaines terres rares pour améliorer les performances de luminescence. De même des ampoules au nanophosphore, qui génèrent de la lumière blanche sous excitation UV transforme 100 % de l’énergie en lumière (contre seulement 5 % avec les filaments de tungstène actuels).
- Dans le domaine des transports,le poids des voitures et des avions, et donc la quantité d’énergie nécessaires à nos déplacements pourraient être réduits notamment en utilisant les nanotubes de carbone, à la fois plus résistants et plus légers que l’acier. Des nano-catalyseurs peuvent également augmenter l’efficacité des moteurs. La réduction des frottements est une autre stratégie pour limiter la consommation de carburant. Des revêtements nanostructurés sont hyperglissants et incorporent des creux en surface qui font office de microréservoirs de lubrifiant.
La vigilance est toutefois de mise face à ces nombreuses annonces. Nous y consacrons une rubrique dédiée ici.
Dorothée Benoit Browaeys - Juin 2010