Bilan

Le futur des technologies propres dépend des nouveaux matériaux

Dans le domaine de l’énergie, notre société moderne dépend presque exclusivement de ressources naturelles constituées il y a plusieurs millions d’années. L’utilisation intensive de charbon, de pétrole et de gaz pour le transport, le chauffage, l’agriculture et notre industrie combinée à une expansion économique rapide de pays tels que le Brésil, Russie, Inde et Chine (BRIC) et à une démographie mondiale galopante, place nos sociétés face à des défis gigantesques. D’un côté nous connaissons les effets néfastes de notre mode de consommation énergétique sur notre climat et l’environnement, d’un autre, l’épuisement des ressources naturelles de notre planète nous oblige à rapidement trouver des solutions politiques, économiques et techniques.

Les nouveaux matériaux, base de l’initiative CleanTech

La recherche, aussi bien fondamentale qu’appliquée dans le domaine des nouveaux matériaux est à la base des développements nécessaires à l’établissement de l’initiative cleantech. C’est pourquoi le domaine des écoles polytechniques à défini ce thème de recherche comme faisant partie d’une des cinq priorités principales pour la période 2012-2016. Car la recherche en matériaux est de nature à avoir un impact déterminant sur les cleantechs. Par exemple, les cellules photovoltaïques permettant de convertir l’énergie solaire en électricité, font actuellement principalement appel à une technologie basée sur des cristaux de silicium. Des développements remarquables faisant appel à des couches minces composés de diverses molécules organiques ou inorganiques permettront dans le futur d’augmenter l’efficacité des cellules avec comme conséquence d’en diminuer les coûts et de les rendre plus compétitives.

Un deuxième exemple démontrant l’importance de la recherche sur les matériaux concerne les piles à combustible. Cette technologie permet à partir d’hydrogène et d’oxygène de produire de l’électricité et… de l’eau,  générant ainsi une source d’électricité quasiment idéale. Afin de rendre cette technologie compétitive, il est crucial de développer des membranes meilleur marché, contenant une faible quantité de platine, le matériau essentiel du processus catalytique. De même, pour développer des batteries ayant des durées de vie plus importantes, les chercheurs combinent des éléments tels que lithium, cobalt, nickel, ou magnésium. D’autres exemples concernent les matériaux adaptés aux très hautes températures pour les réacteurs nucléaires de quatrième génération qui promettent une utilisation plus efficace du combustible voir, à plus long terme, pour la fusion thermonucléaire.

Tous ces exemples et bien d’autres font l’objet d’intenses recherches en Suisse, aussi bien dans le domaine des écoles polytechniques, que dans les universités et autres centres de recherches publics et industriels. Il est à noter que l’un des importants atouts de la recherche suisse est lié à l’existence des «super-microscopes» de l’institut Paul Scherrer. Ces grands instruments tels que les sources de lumière  (SLS),  de neutrons (SINQ) et de muons (SmS) sont utilisés chaque année par plusieurs centaines de chercheurs suisses et internationaux, académiques et de l’industrie, dans le but d’obtenir les informations nécessaires à l’amélioration des processus mentionnés ci-dessus.

Remplacer les matières premières rares

Au-delà de l’importance pour le développement de systèmes énergétiques plus efficaces, d’autres domaines tels que les techniques médicales, informatiques ou même vestimentaires bénéficient directement de la recherche en matériaux. Un aspect cependant reste trop souvent ignoré : celui de l’abondance et de la disponibilité des matières premières nécessaires à la production à grande échelle de ces technologies avancées. Il faut ici différencier la quantité absolue de telle ou telle matière première et sa disponibilité à un instant donné, qui peut être fortement influencée par des mouvements spéculatifs. Actuellement, le prix des terres rares nécessaires à certaines composantes électroniques, d’imagerie ou de supports magnétiques pour éoliennes ont fortement augmenté. Il se trouve que dans ce cas précis la chine possède plus de 90% de la production de ces «terres rares», provoquant ainsi des hausses de prix préjudiciables. Le même scénario peut se répéter pour d’autres éléments tels que le lithium ou le platine. Afin de réduire cette dépendance, plusieurs pays envisagent sérieusement d’ouvrir à nouveau d’anciennes mines ou d’utiliser des filières jusqu’ici inexploitées.

Que peut faire la Suisse dans ce contexte? Il est illusoire de penser que notre pays puisse influencer de quelque manière que ce soit  l’évolution du prix des matières premières. L’unique alternative consiste à intensifier une recherche agressive et innovante pour développer des technologies requérant des quantités réduites  des éléments les plus rares et les plus susceptibles à des variations de prix significatives. Dans ce domaine, nos universités, nos hautes écoles et nos instituts de recherches sont à la pointe.

Ils pourront pleinement participer au plan cleantech récemment lancé par la Confédération. Le défi le plus important reste de créer des outils efficaces permettant un transfert rapide des innovations des milieux académiques vers l’industrie. Parallèlement, le développement de méthodes permettant un recyclage efficace de la majorité des matériaux  limitera notre dépendance face aux matériaux les plus rares. Dans ce domaine également, la Suisse possède une tradition et une compétence indéniable sur lesquelles nous pouvons construire. De tels projets de recherche demandent  du temps. C’est pourquoi il est urgent de libérer les moyens nécessaires pour accélérer la recherche de solutions.

 

 

Des céramiques pour cogénerer de l'éléctricité

Spin-off de l’EPFL créé en 2000, HT Ceramix, à Yverdon, a développé une pile à combustible qui utilise le gaz ou le biogaz d’installations de chaufferie pour générer de l’électricité et optimiser la production de chaleur. Au cœur de cette nouvelle technologie, on trouve une pile à oxyde solide dont les membranes en céramique opèrent entre 700 et 800 degrés lors de la conversion du gaz. Cette chaleur est récupérée pour chauffer de l’eau.  Mais en parallèle cette électrolyse produit aussi de l’électricité dont la valeur est bien plus élevée que celle de la chaleur. «Avec ce système, la perte d’énergie est réduite à 10%», explique Olivier Bucheli, le CEO de l’entreprise.  «50% de l’énergie contenue dans le gaz est transformée en électricité et 40% en chaleur.»

HT Ceramix qui a développé un prototype va maintenant déployer quatre systèmes pilote pour des essais dans le nord de l’Italie. Le recours aux céramiques (au lieu de platine dans les piles à hydrogène) diminue, en effet, radicalement  le coût de ces piles à combustible.

Joël Mesot

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