Si l'idée d'associer de l'aluminium et de l'oxyde de cuivre pour produire de l'énergie n'est pas nouvelle, en revanche celle de recourir à des brins d'ADN pour les marier l'est. Rappelons que deux brins d'ADN complémentaires s'auto-assemblent sous la forme d'une double hélice et restent solidement collés. D'où l'idée des chercheurs toulousains du Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (CNRS), en collaboration avec le Centre interuniversitaire de recherche et d'ingénierie des matériaux (Université de Toulouse 3/INP Toulouse/CNRS), d'utiliser ces propriétés "collantes" de l'ADN pour concevoir un matériau compact et solide qui s'enflamme spontanément une fois chauffé à 410°C.

Pour y parvenir, les chercheurs ont commencé par greffer séparément des brins d'ADN sur des billes nanoscopiques d'aluminium et d'oxyde de cuivre, puis ont mélangé ensemble les deux types de particules coiffées de brins d'ADN. Les brins complémentaires de chaque type de nanoparticules se sont alors liés, transformant ainsi la poudre d'aluminium et d'oxyde de cuivre originelle en ce matériau composite qui, outre une faible température d'initiation de combustion, offre aussi l'avantage d'une haute densité énergétique, semblable à celle de la nitroglycérine ce qui en fait un combustible de choix pour les nano-satellites. Rappelons que ce nouveau type de satellite de quelques kilos qui commencent à peupler l'espace ne peuvent être équipés d'un mode de propulsion conventionnel. Or quelques centaines de grammes de ce composite à base de nanoparticules et d'ADN à leur bord produiraient suffisamment d'énergie pour corriger leur trajectoire ou leur orientation. Sur Terre, les applications de ce composite sont nombreuses Il pourrait servir notamment de source d'énergie d'appoint pour des microsystèmes.

SOURCE: LAAS - Fabrice Séverac : tél. : +33 (0)5 61 33 63 60 - email : fseverac@laas.fr

La société McPhy Energy propose une solution attractive pour le stockage de l'hydrogène sous forme solide. Celle-ci a déjà séduit deux entreprises italienne et japonaise. 

Le groupe Enel, plus grande entreprise d'électricité d'Italie et deuxième en Europe en termes de capacités installées, a récemment commandé à McPhy Energy un système de stockage d'une capacité de 2 kg d'hydrogène sous forme d’hydrure de magnésium. Le réservoir a été conçu suite aux essais réalisés au CEA-Liten de Grenoble sur le réservoir pré-industriel Hymage (au cours de cette évaluation, le réservoir McPhy Energy a été couplé à un électrolyseur et à une pile à combustible).

La solution de McPhy Energy sera intégrée dans une chaine complète de technologies innovantes dont l'éolien, le photovoltaïque, la production et le stockage d'hydrogène. Le réservoir Mc Phy Energy sera installé sur la zone d'expérimentation de Livourne (Italie) et le projet sera supervisé par un groupe de chercheurs du Centre de Recherche d'Enel de Pise.

Moins d’un mois plus tard, c’est Iwatani Corporation, la première société sur le marché de l’hydrogène au Japon, qui a signé un contrat avec McPhy Energy pour la fourniture d’un système de stockage de 4 kg d’hydrogène. McPhy Energy installera un système complet de stockage d’hydrogène industriel sur un site d’Iwatani, au Japon. Le contrat a été signé après que les experts d’Iwatani aient, pendant un an, évalué la technologie de McPhy Energy et visité les installations des laboratoires du CNRS et du CEA en France où les réservoirs de McPhy sont déjà utilisés.

« En fournissant l’hydrogène de manière fiable, sûre et économique, Iwatani fait avancer la quête japonaise d’une réelle économie de l’hydrogène », déclare un responsable du marché hydrogène d’Iwatani. « La technologie de stockage solide de McPhy Energy offre une solution unique aux défis de ce marché. »

Ces deux commandes marquent le véritable développement commercial de la technologie McPhy Energy qui détient des droits exclusifs sur un portefeuille de brevets uniques, qui sont l'aboutissement de plus de 8 années de recherche au CNRS et au CEA, en partenariat avec l'Université Joseph Fourier. Ce procédé, caractérisé par un stockage de l’hydrogène sous forme solide, dans des hydrures de magnésium, qui ne requiert pas de compression, constitue une solution innovante pour un stockage sûr et réversible de l’hydrogène, avec une excellente efficacité énergétique.

Trois méthodes de stockage de l’hydrogène

L'hydrogène ayant une densité d'énergie massique très élevée mais étant un gaz très léger, son stockage et son transport constituent de véritables défis. Le but des technologies de stockage de l'hydrogène est donc de réduire le volume naturellement occupé par l'hydrogène dans son état thermodynamiquement stable dans des conditions ambiantes.

Historiquement, les méthodes de stockage sont basées sur la compression et la liquéfaction (stockage direct), qui sont maintenant des approches établies et d'un bon rendement mais qui impliquent  d'énormes problèmes de sécurité et de coûts associés à la compression et au refroidissement. En pratique, l'hydrogène gazeux doit être comprimé à plusieurs centaines d'atmosphères et stocké dans une cuve ou un réservoir sous pression fait d'acier ou d'un matériau composite. Une opération qui utilise 10 à 25 % du contenu énergétique du gaz. Quant au stockage de l'hydrogène sous forme liquide, il est encore plus onéreux : il nécessite des investissements et des installations lourdes pour sa liquéfaction, sa conservation et sa mise en œuvre sous forme liquide à 20 Kelvin (-253°C).

La troisième alternative, très prometteuse, consiste à stocker l'hydrogène sous forme d'hydrures métalliques, lesquels ont fait l'objet d'études intensives depuis de nombreuses années, offrant un stockage de l'hydrogène sécurisé, réversible avec un excellent rendement énergétique (pas de compression).

La solution : les hydrures métalliques

McPhy a développé des techniques uniques qui résolvent les limites traditionnelles de l'hydrogène sous forme solide. Son procédé, qui offre un rendement énergétique de 97 %, fait appel à des hydrures métalliques, des composés chimiques formés lorsque l'hydrogène réagit avec certains métaux et qui offrent une densité volumique beaucoup plus élevée que le gaz comprimé ou liquide. Ce sont les hydrures de magnésium (MgH₂) qui ont été retenus pour le stockage de masse, des additifs et la nano-structuration du MgH₂ aidant à accélérer le processus d'hydrogénation et de déshydrogénation du magnésium pendant les cycles d'adsorption/désorption.

Ces hydrures de magnésium qui sont produit sur le site de fabrication actuel de McPhy offrent de nombreux avantages :

• un stockage totalement réversible : pour une température donnée, si la pression est au-dessus d'un certain niveau (la pression d'équilibre), le métal absorbe l'hydrogène pour former un hydrure métallique. Si la pression est en-dessous de la pression d'équilibre, il y a désorption de l'hydrogène et le métal revient à son état d'origine. La pression d'équilibre varie en proportion directe de la température ;
• un chargement à la pression de l'électrolyseur (10 bar) ;
• un déchargement à la pression de la pile à combustible/turbine à gaz H₂ (2 bar) ;
• pas de compression pendant le processus de chargement/déchargement (économies d'énergie, de coûts et de maintenance) ;
• une grande stabilité au cyclage ;
• le magnésium est un matériau abondant et bon marché, sans aucun impact sur l'environnement. Du fait de leur non-réactivité avec d'autres matériaux, les hydrures de magnésium n'ont pas à être stockés dans des conteneurs faits de métaux spécialement traités ;
• le stockage de l'énergie thermique dans un réservoir adiabatique stationnaire. Un matériau à changement de phase (MCP) breveté mis en contact thermique à travers les parois métalliques avec le composite McPhy permet de stocker l'énergie thermique pendant le chargement et de la récupérer pendant le déchargement.

Les marchés de l’hydrogène industriel et des énergies renouvelables

Aujourd’hui, la production industrielle de l'hydrogène provient essentiellement du reformage de gaz naturel (95 % de la production mondiale) et, moins fréquemment, de méthodes de production d'hydrogène à plus forte intensité énergétique telles que l'électrolyse de l'eau. McPhy cible le secteur de l'hydrogène vendu par les fournisseurs de gaz industriels, qui inclut l'hydrogène liquide ou gazeux distribué en bouteilles, par pipelines, camions-citernes ou rail. Sa technologie permet de remplacer ce schéma logistique complexe par une production d’hydrogène sur site, associée à des conteneurs de stockage sous forme solide, permettant aux utilisateurs d'hydrogène industriel de :

• réduire les risques industriels grâce à un stockage plus sécurisé ;
• réduire la consommation d'énergie sachant que le stockage de l'hydrogène consomme traditionnellement jusqu'à 33 % de l'énergie contenue dans le gaz ;
• réduire les émissions de CO₂ et l'empreinte écologique (10 t de CO₂/t H₂).

Autre marché visé, celui des énergies renouvelables. Au cours des trente dernières années, même si les technologies des énergies renouvelables sont devenues matures grâce aux nombreuses expériences qui ont été menées à bien (en particulier dans le domaine de l'énergie solaire et éolienne), leur utilisation en tant que source d'énergie en grandes quantités a depuis longtemps été limitée à quelques centrales électriques actives produisant des quantités limitées d'électricité. Le déploiement de ces technologies suit aujourd'hui une nouvelle tendance avec une croissance impressionnante et une part plus importante de la production d'électricité. Pour ce marché, McPhy permet un stockage de l'énergie en grandes quantités sous forme d'hydrogène, permettant de :

• réduire l'imprévisibilité et le caractère intermittent de la production des énergies renouvelables ;
• résoudre le problème de l'écart temporel entre la production (offre) et la consommation (demande).

Les centrales peuvent soit reconvertir l'hydrogène en électricité à l'aide d'une pile à combustible, soit alimenter le marché de l’hydrogène à travers les réseaux de canalisations existants ou des conteneurs de stockage transportables McPhy.

SOURCE: technique de l'ingénieur

De s chercheurs du Georgia Tech Institute of Technology ont développé un nouveau type de cellules photovoltaïques à l'intérieur même de fibres optiques à l'aide de nanostructures d'oxyde de zinc tri dimensionnelles, produites au sein des fibres et couvertes de matériaux à pigments photosensibles. L'approche pourrait permettre aux systèmes photovoltaïques de ne plus être cantonnés à des panneaux solaires sur le toit des maisons, en bref d'être "invisibles".

Avec cette technologie, les générateurs photovoltaïques sont pliables, camouflables et mobiles, d'après Zhong Lin Wang, professeur de Sciences des Matériaux au Georgia Tech et directeur de la recherche. Les fibres optiques pourraient conduire la lumière du soleil dans les murs des bâtiments où les nanostructures la convertissent en électricité.

Le principe adopté pour créer ces nanostructures à pigments photosensibles (ou cellules de graetzel, en anglais dye-sensitized solar cell), consiste en un système photochimique capable de générer de l'électricité. Elles sont moins chères à fabriquer que les cellules classiques à base de silicium monocristallin et même polycristallin, flexibles et robustes, mais leur efficacité de conversion de la lumière en énergie électrique est moindre. Cela n'inquiète pas l'équipe de chercheurs qui avancent que la surface active de conversion peut être très importante et donc que le système pourrait être tout à fait viable. Cette technologie permettrait aussi aux architectes et designers d'inclure les cellules dans les murs des bâtiments, véhicules et même équipements militaires.

Les fibres optiques utilisées sont celles-là mêmes qu'utilise l'industrie des télécommunications pour le transport de données. Elles sont constituées d'un coeur où se propage la lumière par successions de "rebonds" sur les bords, entouré d'une gaine et d'une protection. Les chercheurs retirent la gaine et couvrent le coeur d'une couche conductrice d'oxyde de zinc à partir de laquelle ils font pousser des nanofils d'oxyde de zinc en brosse, un peu comme une brosse pour tuyaux. Les nanofils sont ensuite recouverts avec des pigments photosensibles pour convertir la lumière en électricité.

La lumière qui entre dans les fibres optiques passe à travers les nanofils, où ils interagissent avec les pigments photosensibles pour produire le courant électrique. Un électrolyte liquide entre les nanofils collecte les charges électriques. Le résultat est un hybride nanofil/fibre optique qui est d'autant plus efficace que la fibre est longue : en effet, plus la fibre est longue, plus les chances que les photons entrent en contact avec les pigments photosensibles pour libérer un électron est importante.

Le problème auquel l'équipe fait face est de faire entrer suffisamment de lumière à l'intérieur de la fibre, et l'équipe se penche sur l'utilisation de lentilles concentrant la lumière sur les extrémités des fibres. Wang et ses collègues ont pour le moment atteint une efficacité de 3.3% avec leur prototype et espèrent atteindre les 7 ou 8% en utilisant d'autres matériaux pour les fibres, comme le quartz, même si le but est de réduire les coûts et donc d'utiliser des fibres en polymères. Même si ces résultats sont inférieurs aux cellules solaires à base de silicium, ces cellules sont toujours bien moins chères à fabriquer et constituent une solution pour de multiples applications sur les véhicules ou les équipements militaires, complémentaires des applications actuelles des panneaux solaires.


"3-D system based on optical fiber could provide new options for photovoltaics", 2 novembre 2009 -
 http://www.physorg.com/news176389079.html
- "Wrapping Solar Cells around an Optical Fiber", 30 Octobre 2009 -
http://www.technologyreview.com/energy/23829/page1/
- Publication dans Angewandte Chemie (en anglais) "Optical Fiber/Nanowire Hybrid Structures for Efficient Three-Dimensional Dye-Sensitized Solar Cells", 22 Octobre 2009 -
http://www3.interscience.wiley.com/journal/122659616/abstract

L’hydrogène, élément le plus abondant dans l’Univers, est une source d’énergie renouvelable alternative aux énergies fossiles. Il n’est pas polluant : le seul sous-produit formé lors de sa production est l’eau. Néanmoins, la difficulté à le stocker de manière à la fois sûre et économique a jusqu’ici rendu son utilisation marginale.

Parmi les procédés de stockage existants, l’assemblage avec des métaux semble trop coûteux. Le piégeage dans des matériaux poreux, quant à lui, est à la fois efficace (tout l’hydrogène adsorbé est récupérable) et bon marché. De plus, les cycles de chargement et de relargage de l’hydrogène ne nécessitent alors aucune réactivation ou régénération du matériau. Les nanostructures à base de carbone (nanotubes ou nanocornets), du fait de leur faible masse et leur grande capacité d’adsorption, s’avèrent d’excellents prétendants de matériaux poreux.

Toutefois, les nanotubes de carbone présentent un inconvénient majeur : leur stockage n’est possible qu’à des températures extrêmement basses (inférieures à -196oC), à cause de la faible interaction entre l’hydrogène et le carbone, ce qui limite les applications commerciales. La possibilité future de stocker de l’hydrogène à l’intérieur de matériaux poreux à base de carbone, dans le cadre d’un projet d’énergie propre, dépend donc étroitement de la force de l’interaction entre l’hydrogène et le carbone, et de la faculté d’augmenter cette force.

Des chercheurs du Centre de recherche sur la matière divisée (CNRS/Université d’Orléans), en collaboration avec leurs confrères du Rutherford Appleton Laboratory (Royaume-Uni), de l’Université du Pays Basque à Bilbao et du Consejo Superior de Investigaciones Científicas (Espagne), ont étudié les liens entre l’hydrogène et les nanocornets de carbone. Les nanocornets sont des matériaux de deux à trois nanomètres de longueur. De forme conique, ils s’agrégent pour former des structures en forme de dahlia de 80 à 100 nanomètres de diamètre et ne contiennent aucune impureté métallique. L’extrémité des cônes étant pointue, les chercheurs soupçonnaient une interaction hydrogène-substrat renforcée.

En utilisant la spectroscopie de neutrons à haute résolution, ils ont obtenu des informations sur cette interaction (mobilité de l’hydrogène, énergies et géométrie caractérisant le complexe hydrogènenanocornet). Leurs résultats montrent que l’interaction entre l’hydrogène et les nanocornets est bien plus forte qu’entre les nanotubes de carbone et l’hydrogène. Ces résultats suggèrent que les nanocornets de carbone sont des matériaux prometteurs pour le stockage de l’hydrogène.

Sources : CNRS

Références : Nature of the Bound States of Molecular Hydrogen in Carbon Nanohorns, F. Fernandez-Alonso, F.J. Bermejo, C. Cabrillo, R.O. Loutfy, V. Leon, et M.L. Saboungi, Physical Review Letters, 25 mai 2007, 98, 215503.