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Les matériaux innovants, à la base des cleantechs


Photo de polymères biodégradable. Produit biOS de BioApply.

Les matériaux innovants, un curieux domaine à découvrir à travers ce nouvel article de la chronique cleantechs que j’anime pour lOPI (Office de la Promotion Industrielle) de Genève dans sa newsletter de septembre.

Le futur des technologies propres est lié à celui des nouveaux matériaux.

Le défi est « de découvrir de nouveaux matériaux afin de diminuer l’usage de ceux qui deviennent rares ou pour les remplacer », selon Joël Mesot, directeur de l’Institut Paul Scherrer, interviewé par Bilan.

L’objectif est de réduire ou de remplacer certains matériaux indispensables aujourd’hui à la production des énergies, la construction, nos moyens de transport ou nos usages quotidiens.

Survol de quelques applications pour diminuer platine, lithium, cobalt, nickel, magnésium et remplacer silicium, plomb, polymères polluants issus de la pétrochimie, voire même l’électricité par la lumière !

L’INTERCONNEXION DES USAGES: ON EST TOUS CONCERNES

Naturel, direz-vous que les domaines principaux de recherche de nouveaux matériaux correspondent aux plus grands domaines d’impacts environnementaux face aux consommations galopantes.

Chercheurs et industriels suisses s’activent notamment sur les domaines d’application suivants :

  • Les polymères (plastiques) pour les rendre biodégradables et améliorer leur recyclage
  • Les énergies dans la construction pour faciliter le déploiement du solaire et l’isolation des bâtiments
  • L’éclairage
  • Le chauffage par de nouvelles sources d’énergie comme les piles à combustibles
  • Les technologies de l’information pour utiliser des composants moins polluants dans la production d’ordinateurs

QUAND LES MATERIAUX INNOVANTS DEVIENNENT ECOLOGIQUES

Frédéric Mauch, fondateur et CEO de BioApply

Prenons le cas des plastiques qui envahissent notre quotidien et représentent un fort contributeur à la pollution mondiale de la vie sur terre et mer. Il y a 4 facteurs clés qui commencent à impacter ce phénomène :

  • Les législations
  • Les décisions des grands distributeurs de sacs plastiques : grandes surfaces commerciales
  • Les nouveaux polymères biodégradables
  • Le comportement des consommateurs

Faut-il interdire les sacs plastiques ou y a-t-il d’autres solutions ?

Frédéric Mauch, fondateur et CEO de BioApply  partage sa vision du marché :

« Les choses bougent. En Suisse, un projet de loi est en cours pour interdire les sacs plastiques fabriqués à 100% d’hydrocarbures. Pour aider l’utilisateur, ce qui compte cependant, c’est la transparence de l’information et la traçabilité. Nous avons rejoins le respect-code initialisé par Robin Cornelius de Switcher : chaque lot de sacs produits et distribués comprend un code individuel que l’on peut   retrouver sur internet pour en comprendre les matériaux. En effet, il règne une confusion renforcée par des labels auto-proclamés. Le produit le plus fourbe est le sac oxo-dégradable qui n’est rien d’autre que le  vieux sac plastique polluant. Il se             dégrade certes mais en fragmentant tous ses composants toxiques ! »

Pour en savoir plus, découvrez l’article « Lumière sur les sacs plastiques : comment reconnaître le bon grain de l’ivraie ? »

Voici les gestes utiles que nous propose Michel Pikhanov, directeur des ventes de BioApply :

« Si vous avez besoin d’utiliser un sac plastique, apprenez à reconnaître un sac compostable, préférez-le à un autre contenant et une fois inutilisable, jetez le au compost avec son contenu de déchets verts ».

Bio express de BioApply :

Photo du « Tree dress », réalisé en quelques mois avec BioApply Polymers comme partenaire

BioApply, basée à gland, VD, contribue depuis 2006 à l’évolution du marché des emballages plastiques en concevant et produisant des emballages biodégradables. Avec sa gamme de sacs plastiques et produits dérivés, BioApply intervient à 80% sur le marché suisse et s’ouvre à l’international depuis 2 ans. Pour renforcer son impact, le fondateur de BioApply a créé une nouvelle entité BioApply Polymers en association avec Bruno Peter AG et bénéficie désormais d’un nouveau site industriel à Büren, BE. Sa structure légère et son agilité lui permettent mobilité et réactivité sur les marchés, tout en collaborant avec de grands acteurs industriels. En accompagnant ses clients de l’idée au produit fini, BioApply Polymers vise à augmenter l’adoption des matériaux biodégradables sur les marchés de l’automobile, du médical et de l’alimentaire.


MATERIAUX INNOVANTS PROMETTEURS

Le solaire

Le silicium est la matière organique de base qui compose les cellules solaires, elles-mêmes assemblées en modules puis en systèmes sur panneaux.

Or les coûts élevés des tranches de silicium cristallin ont encouragé l’industrie à rechercher des matières premières moins onéreuses pour la fabrication de cellules solaires. Le silicium amorphe en couches minces ou les polycristallins (ex. tellurure de cadmium, cuivre indium) sont les matériaux de synthèse les plus répandus. Ils captent tous très bien la lumière et peuvent être déposés sur de larges surfaces. La couche semi-conductrice en film mince peut être posée sur du verre enduit, de l’acier inoxydable ou des substrats plastiques. L’avantage est de présenter souplesse et légèreté. L’entreprise Flexcell à Neuchatel innove dans ce domaine.

Photo de module solaire flexible monolithique intégré. http://www.empa.ch

Imaginez des futures surfaces solaires couvrant non seulement les toits mais aussi les murs de bâtiments, voire les trottoirs dans les rues.  Certains films solaires en couches minces photosensibles s’appliquent déjà en rouleaux ou en spray sur des surfaces vitrées. Les leaders mondiaux comme Dupont (dont le labo R&D PV est situé à Meyrin près de Genève) investiguent constamment pour augmenter les rendements de ces matériaux. Le film Kapton® 1) de Dupont (100 fois plus mince et 200 fois plus léger que le verre) atteint un nouveau record de rendement en juin 2011.

L’isolation

L’isolation de nos habitations est essentielle pour réduire la facture énergétique. Gramitech, basée dans le canton de Vaud, fabrique des nouveaux panneaux isolants en extrayant la fibre de cellulose de l’herbe. De surcroît, rien ne se perd dans ce procédé puisqu’il permet de séparer les fibres de cellulose des composés digestibles utilisés pour la production de biogaz !

Photo de l’équipe de Gramitech et d’un panneau isolant

L’éclairage

Remplacer les semi-conducteurs par une nouvelle technique de dépôt de différents oxydes en couches minces dans les ampoules basse consommation LED. Telle est une des multiples applications d’ABCD Technology, basée à Genève, qui performe dans l’assemblage chimique de couches minces par technologie laser.

Autre invention : les cellules solaires à colorant du Prof. Michael Grätzel, chimiste à l’EPFL. Elles imitent le phénomène naturel de la photosynthèse à partir des couleurs du spectre lumineux pour fabriquer de l’électricité. Les cellules peuvent produire de l’électricité dans un milieu à faible luminosité comme par exemple à l’intérieur d’un bâtiment. Elles pourraient s’avérer idéales pour des applications comme l’éclairage.

Les piles à combustibles

Cette technologie permettant de produire de l’électricité et de l’eau à partir d’hydrogène et d’oxygène est une grande utilisatrice de platine, essentiel au processus catalytique.

Substituer la céramique au platine dans les piles à combustibles et valoriser 50% de l’énergie du gaz d’une chaudière en générant chaleur pour l’eau et électricité, voici le tour de maître de HTceramix d’Yverdon.

« Les piles à combustibles sont complémentaires aux pompes à chaleur. En hiver les PAC consomment de l’électricité quand les piles à combustibles en produisent. Le surplus d’électricité produit en même temps que la chaleur est réinjecté dans les réseaux électriques. Ceci permet de lisser les pics de consommations hivernaux », selon Olivier Bucheli, CEO dans son interview dans Le Temps.

Composants électroniques et mémoires d’ordinateurs

Les découvertes continuent. Des transistors moins énergivores et toujours plus petits ? L’EPFL utilise la molybdénite (MoS2) à la place de silicium.

Pour 3DOxides, émanant de ABCD Technology, c’est la lumière qui peut se substituer à l’électricité dans les circuits informatiques des ordinateurs pour réduire les consommations d’énergies.

LA SUISSE BIEN OUTILLEE EN SCIENCE ET INDUSTRIE DES MATERIAUX?

Les nouveaux matériaux représentent un des cinq thèmes prioritaires de recherche dans la période 2012-2016. Parmi les matériaux innovants, il y a les renouvelables qui représentent près de 5% des brevets suisses et pour lesquels le potentiel est encore très large.

Source: Calculs du Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI)23- Tableau importé du Master Plan cleantech.

Les Ecoles Polytechniques, l’Institut de recherche Paul Scherrer, l’IMT-EPFL pour la recherche sur le solaire PV et l’EMPA pour la science des matériaux et Technologies, tous contribuent à faire émerger des matériaux innovants en relation avec l’industrie.

Sources :

Magazine technology By Bilan d’avril 2011: http://www.cleantech-alps.com/multimedia/docs/2011/05/Technology-by-Bilan_Cleantechs.pdf

Article « Lumière sur les sacs plastiques : comment reconnaître le bon grain de l’ivraie ? » sur le blog d’In-fuseon.

Article « Le solaire, petit tour d’horizon des techniques pour produire de l’électricité » sur le blog de moncarrésolaire 

Les techniques solaires dévoilées


Photo de centrale solaire thermique concentrée, extraite de blog.hasslberger.com

Centrales solaires en toitures de plus en plus gigantesques, centrales sur plans d’eau, centrales combinant thermique et solaire, sans compter les pistes de rupture technologique qui pourraient révolutionner le domaine. On a besoin de tout car le solaire est l’une des énergies renouvelables les plus prometteuses face aux besoins énergétiques mondiaux.

UN BRIN D’HISTOIRE à 200/KM HEURE

C’est avec le premier choc pétrolier en 1973 que l’énergie solaire commence à amorcer son entrée dans l’ère industrielle. Les rendements médiocres et les coûts trop élevés n’ont pas découragé chercheurs et industriels visionnaires de la première heure. Grâce à eux, les technologies solaires n’ont cessé de s’améliorer tous les 18 mois: + de rendements, – de poids des panneaux, – de coûts.
En 20 ans, les techniques ont évolué et chaque jour accueille une nouvelle innovation. Début juillet, des ingénieurs aux Etats Unis ont réussi à créer une encre conductrice d’électricité, sur le modèle de l’alliage CIGS utilisé comme silicium amorphe en couches minces. Cette technologie permettrait de fabriquer des panneaux solaires par impression par jet d’encre. Imaginez la réduction des coûts et du poids des panneaux!

TROIS TECHNIQUES SOLAIRES: VUE D’AVION

L’article du blog de moncarrésolaire résume bien les 3 techniques solaires qui font l’actualité actuelle et de demain.
NB. Le parc solaire de Romande Energie-EPFL sur lequel s’appuie le concept locatif de moncarrésolaire depuis 2010 est un des premiers plus grands de Suisse.
Les 3 majeures:

  • La technique la plus connue : la technique photovoltaïque (PV),
  • La technique montante : le solaire thermique concentré (Concentrated Solar Power ou CSP en anglais),
  • La technique la plus révolutionnaire et prometteuse : la cellule solaire à colorant« Grätzel », du nom de son inventeur suisse

Photo extraite de http://www.solstis.ch: installation moncarrésolaire de Romande Energie sur les toits de l'EPFL

Le solaire PV est mise en oeuvre principalement en toiture et commence à envahir des plans d’eau. La course effrénée à la puissance change le classement des plus grands parcs solaires tous les jours.

Photo extraite du site de Ciel et Terre

Des quelques m2 sur le toit d’une habitation aux dizaines de milliers de m2 des plus grands parcs solaires actuels, les projets explosent littéralement de partout dans le monde.

Le solaire thermique concentré lance un défi au gaspillage d’électricité en résolvant partiellement son problème de stockage. Il utilise l’énergie solaire pour créer un effet thermique et stocker l’énergie avant de la transformer en électricité. Il est adapté à de grands parcs solaires pour des régions très ensoleillées voire arides, soit idéal pour l’Europe du sud et les déserts. Dans nos contrées suisses, peu de chance d’en voir une émerger.

Photo extraite de la vidéo de Swiss Info sur Michaël Grätzel

Les cellules solaires Grätzel à colorant pourraient bien représenter une rupture technologique majeure. Elles imitent le principe de la photosynthèse à partir du spectre lumineux et peuvent produire de l’électricité avec de hauts rendements dans des milieux peu éclairés. Les applications concrètes sont en développement par exemple dans l’éclairage intérieur. Et…plus besoin de silicium!


LE SOLAIRE PV: SILICIUM OU SILICIUM?

Voilà un extrait de l’article de moncarrésolaire sur le solaire PV. Je vous laisse découvrir le reste de l’article très accessible et instructif.

Le silicium est la matière organique de base qui compose les cellules solaires, elles-mêmes assemblées en modules puis en systèmes sur panneaux. Les panneaux solaires captent les photons, particules de lumière porteuses de l’énergie. Les photons provoquent une différence de potentiel électrique entre les deux couches de silicium semi-conductrices du panneau. C’est ce qui génère le courant électrique dit « continu », qu’il faut ensuite rendre « alternatif » avant de l’injecter dans le réseau.

Trois grands types de technologies s’affrontent sur le marché du solaire PV :

  • Le silicium cristallin en épaisseur supérieure à 1 µm: il représente le gros des installations et fait l’objet d’une concurrence féroce entre les fabricants chinois, américains, allemands et espagnols. Les inconvénients majeurs de ces panneaux sont leur coût de fabrication et leur poids. Les toitures doivent être parfois renforcées. L’entreprise Oerlikon Solar parvient à tirer son épingle du jeu mondial sur cette technologie.
  • Le silicium amorphe en couches minces : Les coûts élevés des tranches de silicium cristallin ont encouragé l’industrie à rechercher des matières premières moins onéreuses pour la fabrication de cellules solaires. Le silicium amorphe ou les polycristallins (ex. tellurure de cadmium, cuivre indium) sont les matériaux les plus répandus. Ils captent tous très bien la lumière et peuvent être déposés sur de larges surfaces. La couche semi-conductrice en film mince peut être posée sur du verre enduit, de l’acier inoxydable ou des substrats plastiques. L’avantage est de présenter souplesse et légèreté. L’entreprise Flexcell à Neuchatel innove dans ce domaine.
  • Les nouvelles technologies combinant les deux premières : Silicium cristallin et couches minces, silicium amorphe et micro-cristallin.”
Si vous avez d’autres informations sur des innovations ou techniques solaires, merci de commenter notre article et de partager vos connaissances et recherches.