Les Énergies «Renouvelables» 6juillet2011 Introduction Comme son nom l indique, une énergie renouvelable est une énergie utilisant des élèments naturels, renouvelés plus rapidement qu ils ne sont consommés. Ainsi, le solaire, l hydraulique, le géothermique, l éolien sont des énergies renouvelables et respectueuses de l environnement. En effet, énergie renouvelable ne signifie pas forcément énergie «propre». Avec la récente catastrophe nucléaire de Fukushima au Japon, le recours aux énergies renouvelables et respectueuses de l environnement apparaît comme une des meilleures alternatives aux énergies fossiles. Bien que de nombreuses applications existent déjà (l avion totalement solaire Solar Impulse par exemple 1 ), l effort de recherche dans ce domaine s est intensifié, pour que l énergie de demain soit la plus verte possible. Dans ce document, nous verrons le fonctionnement d une cellule photovoltaïque, élément clé pour convertir l énergie solaire en énergie électrique. Nous verrons aussi le fonctionnement d une pile à hydrogène, un dipositif permettant la conversion d énergie chimique en énergie électrique. L Énergie Photovoltaïque Elle est l une des nombreuses énergies alternatives actuellement disponibles. L énergie photovoltaïque est produite à partir du rayonnement solaire, via un composant électronique : la cellule photovoltaïque. Cette cellule est en général composée de Silicium (Si) et se rencontre sous la forme de plaque d une épaisseur d environ un milimètre, pour une surface allant de dizaines de cm 2 àquelquesm 2. Figure 1 Cellules photovoltaïques 1. http ://www.lemonde.fr/planete/article/2010/07/08/solar-impulse-remporte-son-pari-solaire_1384980_3244.html#ens_id=1535874 1
Comment fonctionne une cellule photovoltaïque? Un peu de théorie... Pour pouvoir expliquer le fonctionnement d une cellule photovoltaïque, il faut tout d abord (re)voir quelques notions de physique du solide. En physique du solide, la théorie des bandes permet de modéliser les niveaux énergétiques que peuvent occuper les électrons d un solide. Le schéma classique pour un semi-conducteur (ou un isolant) est celui proposé en figure 2. Figure 2 Schémadebandes Àl étatfondamental,on«peuplera»d électronscesniveauxd énergie,encommençantparleplusbas.les niveaux peuplés par les électrons forment la bande de valence. Les niveaux vides forment la bande de conduction. Si le matériau est isolant ou semi-conducteur, ces deux bandes seront séparées par une bande interdite, ou band gap (avec un valeur de band gap de l ordre de quelques ev dans le cas d un semi-conducteur). Dans le cas des métaux, ces deux bandes ne sont pas séparées. Lorsqu on excite un semi-conducteur par des photons, dont l énergie est au moins égale à celle du band gap (dans le cas du silicium 1,12 ev), on promeut un électron de la bande de valence vers la bande de conduction, formant un «trou» dans la bande de valence (une absence d électron). La plupart du temps, cette paire électron-trou aussi nommée «exciton», se recombine rapidement. La cellule photovoltaïque L effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet donc de convertir directement l énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du transport dans un matériau semi-conducteur de charges électriques positives et négatives sous l effet de la lumière. Ce matériau comporte deux parties, l une présentant un excès d électrons et l autre un déficit en électrons, dites respectivement dopée de type n et dopée de type p. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. La zone initialement dopée n devient chargée positivement, et la zone initialement dopée p chargée négativement. Il se crée donc entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons dans la zone n et les trous vers la zone p. Une jonction (dite p-n) a été formée. En ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, une diode est obtenue. Lorsque la jonction est éclairée, les photons d énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite communiquent leur énergie aux atomes, et une paire électron-trou est alors créée. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel : le courant électrique circule (figure 3). 2
Figure 3 Schémadefonctionnementd unecellulephotovoltaïque L effet repose donc à la base sur les propriétés semi-conductrices du matériau et son dopage afin d en améliorer la conductivité. Le Silicium employé aujourd hui dans la plupart des cellules a été choisi pour la présence de quatre électrons de valence sur sa couche périphérique (colonne IV du tableau de Mendeleïev). Dans le Silicium solide, chaque atome dit tétravalent est lié à quatre voisins, et tous les électrons de la couche périphérique participent aux liaisons. Si un atome de Silicium est remplacé par un atome de la colonne V (Phosphore par exemple), un de ses cinq électrons de valence ne participe pas aux liaisons ; par agitation thermique, il va très vite passer dans la bande de conduction et ainsi devenir libre de se déplacer dans le cristal, laissant derrière lui un trou fixe lié à l atome de dopant. Il y a conduction par un électron, et le semi-conducteur dit dopé de type n. Si au contraire un atome de Silicium est remplacé par un atome de la colonne III (Bore par exemple) à trois électrons de valence, il en manque un pour réaliser toutes les liaisons, et un électron peut rapidement venir combler ce manque et occuper l orbitale vacante par agitation thermique. Il en résulte un trou dans la bande de valence, qui va contribuer à la conduction, et le semi-conducteur est dit dopé de type p. Les atomes tels que le Bore ou le Phosphore sont donc des dopants du Silicium. Les cellules photovoltaïques sont ensuite assemblées pour former des modules. Les piles à combustible Autre source prometteuse d énergie électrique, la pile à combustible n est pourtant pas une invention récente. En effet, c est en 1839 qu un avocat anglais, sir William R Grove, chercheuramateurenélectrochimie,réalisele premier modèle de laboratoire de pile à combustible. Dans ce document, nous traiterons d une des principales piles àcombustible:lapileàhydrogène. Figure 4 Pileàcombustible La pile à hydrogène a la particularité d utiliser deux gaz le Dihydrogène H 2 et le Dioxygène O 2 commecouple 3
électrochimique, les réactions d oxydo-réduction qui s opèrent dans la pile sont donc particulièrement simples. La réaction se produit au sein d une structure (la cellule électrochimique élémentaire) essentiellement composée de deux électrodes (l anode et la cathode) séparées par un électrolyte, matériau permettant le passage des ions. Figure 5 Schémadefonctionnementd unepileàhydrogène Les électrodes mettent en jeu des catalyseurs pour activer d un côté, la réaction d oxydation de l Hydrogène, et de l autre côté, la réaction de réduction de l Oxygène. Dans le cas d une pile à électrolyte acide (ou pile à membrane échangeuse de protons), l Hydrogène de l anode est dissocié en protons (ou ions Hydrogène H + )etenélectrons, suivant la réaction d oxydation : H 2 2H + +2e Àlacathode,l Oxygène,lesélectronsetlesprotonsserecombinentpourformerdel eau: 2H + + 1 /2O 2 +2e H 2 O Le principe de la pile à combustible est donc inverse à celui de l électrolyse de l eau. La tension thermodynamique d une telle cellule électrochimique est de 1,23 volt (V). Cependant, le rendement d une telle cellule est d environ 50 %, l énergie dissipée l étant bien évidemment sous forme de chaleur. 4
Références et liens Patrick Jourde, CLEFS CEA - N 50/51 - HIVER 2004-2005 Dossier sur les énergies renouvelables (Université Louis Pasteur, Strasbourg) : http://science-citoyen. u-strasbg.fr/dossiers/er Site de l agence de l environnement et de la maîtrise de l énergie : www.ademe.fr Site d Electricité de France : www.edf.fr Site du Commissariat à l Energie Atomique : www.cea.fr Site du groupe AREVA : www.areva.com Site de l agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs : www.andra.fr Centre d information sur l énergie et l environnement : www.ciele.org Sur le site du Sénat : "Energies renouvelables et développement local" Rapport d information déposé le 28 juin 2006, établi au nom de la délégation à l aménagement du territoire.» : http://www.senat.fr/rap/r05-436/ r05-436.html 5