Photosynthèse artificielle

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La photosynthèse artificielle est une nouvelle façon de produire de l’énergie en imitant la photosynthèse naturelle des plantes. C’est une énergie renouvelable.

L’énergie est actuellement un des enjeux majeur de notre société, les filières de productions actuelles sont soit considérées comme trop polluantes (charbon pétrole), soit propres mais trop peu productives (énergies renouvelables), soit très efficaces mais mettant en jeux des énergies colossales difficiles à maîtriser et présentant un danger potentiel (nucléaires). L’énergie idéale serait propre et très rentable or si les énergies renouvelables sont peu productives, ce n’est pas car elles sont peu présentes ou difficiles à atteindre, mais parce que les moyens de recueillir l’énergie et de la convertir sont peu performants.

Les plantes absorbent l’énergie solaire lors de la photosynthèse et l’utilisent pour produire du glucose ce qui leur permet de se développer et de croitre. L’énergie absorbée par les plantes est phénoménale mais ne représente qu’une toute petite partie de l’énergie solaire reçue par la terre (3 850 000 exajoules (EJ) par an en 2002). Les panneaux solaires sont une façon de récupérer cette énergie abondamment dispensée par le soleil (l’énergie reçue en une heure correspond à un an de consommation mondiale) et de la transformer en énergie électrique utilisable par l’homme. Malheureusement ils sont peu performants et les plus perfectionnés n’ont un rendement que de 18 % (la moyenne actuelle étant plutôt de 10 %). Ainsi des chercheurs ont eu l’idée d’imiter la photosynthèse naturelle. Ils tentent donc de catalyser une oxydation de l’eau à la manière de la photosynthèse. Les produits de cette réaction sont l’oxygène et le dihydrogène qui peuvent être exploités dans une pile à combustible pour produire de l’énergie.

La photosynthèse naturelle[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Photosynthèse.

Définition[modifier | modifier le code]

La photosynthèse[1] chez les végétaux, certaines bactéries et certaines actions biochimique qui, en présence de lumière et à partir de molécules minérales simples (CO2, H2O…), produit des molécules organiques glucidiques de masse molaire relativement faible. Certaines de ces molécules sont polymérisées en glucides de masse molaire élevée (amidon), d’autres enfin s’unissent à des molécules azotées. Le phénomène est caractérisé par une absorption de dioxyde de carbone et par un dégagement d’oxygène. On peut aussi parler de photosynthèse dans d'autres domaines, comme les panneaux photovoltaïques.

Le rôle de la photosynthèse[modifier | modifier le code]

La photosynthèse est une transformation chimique qui se fait généralement chez les végétaux. Elle permet aux végétaux de créer de l’énergie sous forme de sucres (amidon généralement) à partir de l’énergie lumineuse provenant du soleil pour répondre aux besoins de la plante[2]. Les organismes qui utilisent le mécanisme de la photosynthèse sont autotrophes[3] car ils fabriquent des matières organiques à partir de matières inorganiques. Certains animaux utilisent le mécanisme de la photosynthèse ; La limace de mer, Elysia chlorotica, est le premier animal découvert capable d'utiliser la photosynthèse pour produire de l'énergie. Cette photosynthèse est effectuée par les chloroplastes de sa principale source de nourriture, l'algue Vaucheria litorea. De nombreux autres animaux peuvent établir une symbiose avec une algue : vers plats, coraux, anémones de mer, éponges, limaces de mer… La salamandre maculée est toutefois le seul vertébré connu à ce jour (2011) qui établisse une symbiose avec une algue, en l'occurrence Oophila amblystomatis. À l’échelle planétaire, ce sont les algues et le phytoplancton marin qui produisent le plus d’oxygène, suivi des forêts.

Le mécanisme de la photosynthèse[modifier | modifier le code]

Photosynthèse

La plante capte le dioxyde de carbone (CO2) présent dans l’air et l’eau (H2O) dans le sol. L’énergie solaire est utilisée pour oxyder l’eau et réduire le gaz carbonique afin de synthétiser des substances organiques (glucides). Cette transformation se déroule dans les chloroplastes (organites cellulaire) qui contiennent la chlorophylle (pigment qui assurent l’absorption d’une partie de l’énergie des rayons solaire qui rendent la photosynthèse possible). La photosynthèse a lieu au niveau des membranes thylakoïdes (double membrane pigmentée qui se trouve à l’intérieur du chloroplaste chez les eucaryotes. C’est dans les thylacoïdes qu’a lieu la réaction lumineuse de la photosynthèse) où se situent les photosystèmes (Les photosystèmes interviennent dans les mécanismes de la photosynthèse en absorbant les photons de la lumière) 1 et 2 et les cytochromes (protéine coloré qui transportent les électrons.) Après plusieurs réactions chimiques entre l’énergie solaire, le CO2 et l’H2O ont obtient de l’oxygène (O2) qui est libéré dans l’atmosphère et du sucre (amidon généralement) qui est stocké dans les fruits ou le reste dans la feuille qui est ensuite transféré dans l’arbre à travers sa sève pour le nourrir et ainsi le faire vivre.

La phase claire[4] est un ensemble de réactions photochimiques (le principe est de capter l’énergie lumineuse des photons et de la transmettre, via des électrons chargées de cette énergie, à une chaîne d’accepteur d’électrons (molécules ayant des potentiels d’oxydoréduction variables), qui dépendent de la lumière, et au cours desquels les électrons sont transportés à travers les deux photosystèmes (Les photosystèmes sont les centres photorécepteurs de la membrane des thylakoïdes contenus dans les chloroplastes) (PSI et PSII) afin de produire de l’ATP (molécule riche en énergie) et du NADPh et H+ (potentiel réducteur). La phase claire permet donc directement la transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique. La phase sombre correspond au cycle de Calvin, entièrement enzymatique et indépendante de la lumière, au cours duquel l’ATP et le NADPH et H+ sont utilisés pour la conversion du dioxyde de carbone et de l’eau en glucides. Cette seconde partie permet l’assimilation du gaz carbonique. L’assimilation du CO2 se fait en quatre étapes principales dont les trois premières se déroulent au sein du cycle de Calvin :

  • fixation du CO2 (carboxylation) ;
  • réduction du carbone fixé ;
  • régénération de l’accepteur de CO2 ;
  • synthèse des sucres.

Le total d’énergie capté par la photosynthèse (à l’échelle planétaire) est immense, approximativement 100 térawatts (1 térawatt est égal à 1000000000 kW): qui est environ de 10 fois plus élevé que la consommation énergétique mondiale (sur un an). Ce qui signifie qu'environ un peu moins du millième de l’insolation reçue par la Terre (l’énergie solaire reçu par la terre est de 1,5 1018⋅kWh par an) est capté par la photosynthèse et fournit toute l’énergie de la biosphère. Eucaryotes : Organisme vivant possédant un noyau isolé du cytoplasme par une membrane et qui contient de l'ADN. Les eucaryotes s'opposent aux procaryotes (bactéries, cyanophycées)[5].

La photosynthèse artificielle[modifier | modifier le code]

Il existe plusieurs types de photosynthèses artificielles, tous à l’état de recherche ou de prototype. Une équipe du National Renewable Energy Laboratory rapporte en 1998 avoir créé un dispositif permettant de dissocier l'oxygène et l'hydrogène de l'eau à partir d'énergie solaire[6]. Mais ce dispositif s’est révélé instable et trop cher[7],[8]. En 2007, une équipe de l’université de Kyoto annonce quant à elle avoir inventé un procédé capable de capter le CO2 atmosphérique 300 fois plus efficacement que les plantes. Néanmoins la feuille artificielle (2011), le projet de Daniel Nocera [9],[10], ancien chercheur au MIT (Massachusetts Institute of Technology) est le plus abouti technologiquement (Il est le fruit de 25 années d’études et est en voie de commercialisation) et est représentatif du principe général qui est d’oxyder l’eau pour produire de l’oxygène et du dihydrogène. Les projets concurrents utilisent des matériaux différents pour provoquer cette réaction[11].

Présentation de la feuille artificielle[modifier | modifier le code]

La feuille artificielle est composée d’un assemblage de fines couches de différents métaux[12] qui catalysent l’oxydation de l’eau une fois plongé dedans et exposé au soleil. Elle oxyde l’eau, comme dans la photosynthèse naturelle, et réassemble les atomes qui la composent de façon différente. Ces nouvelles molécules pourront être utilisées pour produire de l’énergie.

Feuille artificielle

Le mécanisme de la photosynthèse artificielle[modifier | modifier le code]

Équation chimique[modifier | modifier le code]

Comme dit précédemment, la feuille artificielle permet de reproduire l’oxydation de l’eau, puis d’utiliser les atomes et molécules obtenus pour en former de nouveaux. L’équation chimique de cette réaction est : 2 H2O ⇒ O2 + 4 H+ + 4 e-⇒ O2 + 2 H2

Les produits de la photosynthèse artificielle sont donc du dioxygène et du dihydrogène.

Les différents composants et leur utilisation[modifier | modifier le code]

La feuille artificielle est composée de différents métaux catalyseurs :

Le mécanisme[modifier | modifier le code]

Le silicium collecte l’énergie lumineuse, ce qui permet à l’eau de s’oxyder au contact du cobalt (l’oxydation est échange d’électrons) : 2 H2O ⇒ O2 + 4 H+ + 4 e-

Le dioxygène obtenu est sous forme de gaz (de bulles), il s’échappe donc du milieu. Le silicium recueille les électrons qui proviennent des atomes d’hydrogène et les envoient vers l’alliage tandis que les ions H+ se retrouvent dans l’eau. L’alliage permet ensuite d’assembler les ions H+ et les électrons : O2 + 4 H+ + 4 e-⇒ O2 + 2 H2

À la fin, nous obtenons donc du dioxygène et du dihydrogène, tous deux à l’état gazeux.

Avantages[modifier | modifier le code]

La feuille artificielle de Daniel Nocera a entre autres les avantages suivants : Contrairement aux autres technologies qui produisent de l’énergie à partir d’eau et d’électricité, la feuille artificielle ne nécessite pas un milieu très acide ou de l’eau très pure pour fonctionner. Elle fonctionne dans de l’eau à ph neutre, voire dans l’eau de mer. Les éléments du catalyseur s’assemblent tout seuls si on leur fournit un peu d’énergie sous forme d’électricité. Et si le bain dans lequel est plongée la feuille artificielle contient les éléments nécessaires, les catalyseurs se régénèreront tous seuls au fur et à mesure de leur consommation. La dernière version de la feuille artificielle utilise des matériaux peu chers et peu rares. Les versions précédentes utilisaient de la platine, de l’iridium ou du ruthénium.

Productivité[modifier | modifier le code]

La feuille artificielle ne produit pas d’énergie de façon directe, elle ne produit que du dioxygène et du dihydrogène. C’est l’hydrogène qui peut être utilisé pour faire fonctionner une pile à combustible, et donc produire de l’électricité.

Aujourd’hui, produire 1 kg d’hydrogène à partir d’une feuille artificielle coûte entre 5 et 6 €. Mais produire la même quantité d’hydrogène à partir de méthane revient seulement à 2 €.

De même, la quantité d’électricité produite par rapport à la quantité d’énergie solaire reçue n’atteint que 2,5 % pour la feuille artificielle contre 15 à 20 % pour un panneau photovoltaïque.

On comprend alors que, pour l’instant, la feuille artificielle n’est pas très compétitive. Mais Daniel Nocera reste optimiste. En effet, il pense qu’une première centrale électrique, de la taille d’un réfrigérateur, mais suffisante pour produire de l’énergie en quantité, pourrait voir le jour dès 2013. Selon lui, on pourrait adapter son système pour l’usage domestique : une seule feuille immergée dans 4 litres d’eau suffirait à alimenter une maison en électricité pendant une journée.

De plus, Daniel Nocera essaye de rendre son invention moins coûteuse en cherchant un système qui permettrait de produire de l’hydrogène à 2,5 € le kilo. Il espère ainsi que son invention pourra intéresser les pays pauvres ou en voie de développement. Les laboratoires de l’école polytechnique de Stockholm ont pour leur part déclaré avoir obtenu un rendement de 300 molécules par seconde comparable à celui des végétaux qui est compris entre 100 et 400 molécules par seconde[13].

Production d'énergie avec les produits de la photosynthèse artificielle[modifier | modifier le code]

La photosynthèse artificielle produit deux gaz, du dioxygène et du dihydrogène.

Propriétés des gaz[modifier | modifier le code]

Le dioxygène ou encore molécule d'oxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène de formule chimique O2.Incolore, inodore et insipide, il participe à des réactions d'oxydo-réduction, essentiellement à la combustion et la corrosion. Il a été découvert en 1774 par Joseph Priestley, et baptisé oxygène par Lavoisier en 1778. Le dihydrogène[14] aussi appelé molécule d’hydrogène existe à l'état gazeux aux conditions normales de pression et de température. Cette molécule est composée de deux atomes d'hydrogène et est de formule chimique H2. Elle est présente sous forme de traces (0,5 ppmv) dans l’atmosphère. Elle brûle dans l'air en produisant de l'eau, d'où son nom composé étymologiquement par « hydro », du grec ὕδωρ (hudôr) signifiant « eau », et « gène », du grec γεννᾰν (gennen), « engendrer ». Le dihydrogène a potentiel énergétique inégalable (120 kJ/g contre 50 pour le gaz naturel[15].

Façons d'en extraire de l'énergie[modifier | modifier le code]

L’hydrogène ayant été découverte il y a 300 ans de nombreux moyens d’en tirer de l’énergie ont été élaborés au cours des siècles tel que le voltamètre de Hoffman ou le moteur à hydrogène qui utilise le principe de la combustion du dihydrogène (H2) et du dioxygène (O2) pour laisser comme produit de l'eau (H2O) et de l'énergie (l'énergie dégagée par la combustion de 1 kilogramme d'hydrogène équivaut à celle de 3 kilogrammes d'essence). Il s'agit d'une réaction explosive qui actionne un piston de la même manière qu'avec l'essence ou le gazole. La réaction chimique est la suivante : 2 H2 + O2 → 2 H2O + Q (Q : quantité d'énergie libérée)

Pile à combustible

Le plus récent est la pile à combustible [16],[17],[18] c’est aussi le plus performant. Le principe de la pile à combustible est l’inverse de l’électrolyse. La pile à combustible est constituée d’une anode et d’une cathode séparée par un électrolyte, un matériau non conducteur. L’anode est chargée en hydrogène ce qui signifie que projetée sur l’anode, le dihydrogène se sépare en deux molécules d’hydrogène en libérant un électron. Cet électron qui ne peut pas traverser l’électrolyte passe par l’anode conductrice, fourni de l’énergie au système branché sur la pile à combustible et passe par la cathode.La cathode et chargée en molécules de dioxygène. L’électron, l’atome d’hydrogène et l’atome oxygène se recomposent en formant de l’eau (H2O donc un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène). On récupère donc de l’eau et de l’énergie sous forme de tension électrique d'environ 0,7 à 0,8 volt et de la chaleur (la température de fonctionnement varie de 60 à 200 °C selon les modèles)

Le rendement[modifier | modifier le code]

Le rendement de la pile à combustible est actuellement supérieur à 50 % (par comparaison un moteur thermique d'automobile a un rendement qui varie entre 25 % et 30 %) ce qui signifie que l’énergie nécessaire à la production de l’hydrogène et l’oxygène (l’objectif étant que cette énergie soit fournie par le soleil) est récupérée à 50 %. Les 50 % restant sont dissipé en chaleur. Si l’on adjoint à la pile à combustible un système de récupération de chaleur (pour chauffer de l’eau par exemple), le rendement augmente jusqu’à 80 % / 90 %.

Les dangers[modifier | modifier le code]

La pile à combustible ne présente pas de danger en elle-même mais ces réactifs et surtout l’hydrogène ont une forte capacité à entrer en combustion. Ainsi pour l’hydrogène 20 microjoules suffisent et selon sa concentration dans l'air elle brûle ou explose (au-delà de 12 % de concentration dans l’air, la détonation génère 20 bars de pression et propage une flamme à 2 000 m/s !). Malgré le fait que l’hydrogène se disperse très vite dans l’air, le risque d’explosion dans un milieu fermé tel qu’un garage est important c’est pourquoi les chercheurs réfléchissent a un moyen de stocker l’hydrogène sans risque. Les deux technique de stockage actuel par refroidissement (-273°) et par compression (>200 bars) ne sont pas satisfaisantes car elles sont gourmandes en énergie et sont sensibles aux fuites. C’est pourquoi le stockage par solidification sous forme d’hydrures (un hydrure est un composé chimique de l’hydrogène avec d’autres éléments par exemple le métal qui se présente comme une éponge). L’hydrogène ainsi stockée se présente sous forme de galette métallique solide ininflammable. Le processus est parfaitement réversible et les différents composés métalliques n’ont pas d’effet mémoire et peuvent resservir indéfiniment.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]