En moins de huit heures, suffisamment de lumière solaire frappe la Terre pour répondre à tous les besoins énergétiques de l'humanité pendant un an.

Selon une étude publiée par l'Agence internationale de l'énergie, le monde a consommé 18,3 térawatts-années (TWy) d'énergie en 2014. Il ne faut que huit heures d'ensoleillement pour pouvoir produire 21 TWy d'énergie solaire. Et le coût de sa production a considérablement baissé ces dernières années.

Alors pourquoi ne l'utilisons-nous pas pour alimenter la planète entière ?

Le problème principal est le stockage. Le soleil ne brille pas la nuit, l'énergie doit donc être stockée jusqu'à ce que les gens aient besoin de l'utiliser.

Alors que le coût de production de l'énergie a baissé (une étude du Lawrence Berkeley National Lab en 2016 a montré que les coûts des projets solaires aux États-Unis avaient chuté des deux tiers depuis 2009), la demande a augmenté. En guise de réponse, les services publics ont installé deux fois et demie plus de technologie solaire que les consommateurs résidentiels et commerciaux réunis.

Nos options de stockage actuelles ne peuvent pas suivre.

Les panneaux solaires à l'échelle des services publics nécessitent un stockage important. En Australie, Tesla a récemment installé un énorme réseau de batteries lithium-ion pour stocker de l'énergie renouvelable, mais le lithium n'est pas une ressource illimitée, et les batteries ne sont pas idéales pour toutes les situations – de nombreux Albertains savent que les batteries lithium-ion de leurs téléphones n'aiment pas le froid. Si nous prévoyons de déplacer le monde entier vers des sources comme l'énergie solaire et d'autres énergies renouvelables, nous avons besoin de plusieurs façons de stocker l'énergie.

Lorsque l'initiative de recherche de 75 millions de dollars sur les systèmes énergétiques futurs de l'Université de l'Alberta a été lancée à la fin de 2016, s'attaquer à ce problème était une priorité majeure.

Le chimiste Steve Bergens compte parmi les scientifiques financés par l'initiative. Il travaille sur une alternative à grande échelle qui tirerait parti des infrastructures existantes et permettrait d'économiser les batteries chimiques pour des utilisations à plus petite échelle.

"Le dioxyde de carbone et l'eau sont partout, ", a-t-il expliqué. "Nous pouvons les combiner avec la lumière du soleil et stocker l'énergie solaire comme combustible."

Stocker l'énergie solaire dans des carburants synthétiques

« Les carburants se produisent naturellement, donc certaines personnes pourraient ne pas les considérer comme une technologie de stockage, " expliqua Bergens. " Mais comme les batteries, les carburants nous permettent de transporter l'énergie stockée partout où nous en avons besoin et d'y accéder quand nous le voulons. »

Les carburants les plus courants d'aujourd'hui sont les hydrocarbures comme le gaz naturel. Lorsque ces hydrocarbures sont brûlés, le carbone est libéré dans l'atmosphère sous forme de gaz à effet de serre CO2. Pour éviter le CO2, nous pourrions adapter tout notre système énergétique pour brûler de l'hydrogène pur, mais Bergens pense que cette proposition n'est pas réaliste à court terme.

"Nous avons passé des décennies et beaucoup d'argent à construire un système qui fonctionne avec des hydrocarbures, il n'est donc pas raisonnable de s'attendre à ce que tout change d'un coup, " a-t-il dit. " Mais si au lieu de libérer du dioxyde de carbone dans l'atmosphère, nous le capturons et le combinons avec de l'eau et de l'énergie solaire pour fabriquer des hydrocarbures réutilisables ? »

Bergens esquisse le processus chimique sur le tableau de son bureau :« Lorsqu'il est brûlé, le gaz naturel et l'oxygène de l'air forment de l'eau, dioxyde de carbone et énergie.

Théoriquement, ce processus pourrait être inversé :la lumière du soleil pourrait être appliquée à l'eau et au dioxyde de carbone, créer du gaz naturel synthétique avec de l'oxygène pur comme sous-produit. Lorsque ce carburant est brûlé, le dioxyde de carbone n'aurait jamais besoin d'être libéré - juste capturé et recyclé pour fabriquer plus de carburant synthétique.

Les formules sont vérifiées, mais peu de choses sont aussi faciles qu'elles le paraissent sur un tableau noir.

Construire des molécules abordables

Mona Amiri est une boursière postdoctorale qui travaille avec l'équipe du laboratoire de Bergens pour développer des catalyseurs qui peuvent faire en sorte que la réaction du tableau se produise dans la vie réelle.

Construire au niveau atomique et de façon modulaire, elle et les étudiants Chao Wang et Octavio Perez créent des molécules uniques qui remplissent chacune une fonction individuelle dans le processus global. Ces molécules peuvent être optimisées et étudiées séparément, puis être facilement assemblés comme des blocs de construction - ou même s'auto-assembler - pour fonctionner comme une seule unité.

Cette approche permet à l'équipe d'identifier rapidement les points faibles, échangez des composants individuels et réduisez éventuellement les coûts d'ingénierie en exécutant l'ensemble du processus dans une seule unité. Mais cela n'a de sens que si les catalyseurs et les composants sont abordables.

"La plupart des catalyseurs que nous connaissons qui peuvent y parvenir sont basés sur des métaux coûteux comme le platine et l'iridium, " a souligné Amiri. " Nous les utilisons actuellement pour valider les principes, mais nous devons trouver des alternatives plus abondantes pour une adoption généralisée."

Dans cet esprit, Amiri et l'équipe développent de nouveaux catalyseurs basés sur des éléments communs comme le fer. Jusqu'à présent, ces molécules plus courantes ne s'avèrent pas aussi efficaces ou durables, mais elle est convaincue qu'ils peuvent être raffinés en alternatives utiles.

« Il faudra allier efficacité, durée de vie, accessibilité et disponibilité, " elle a dit.

Quand elle et l'équipe de Bergens trouvent le bon équilibre, la technologie résultante pourrait être un tremplin crucial.

Une technologie de transition

Avec les bons catalyseurs, les usines de gaz naturel dans le monde pourraient avoir des centrales solaires à côté d'elles, capter leur CO2 et le faire réagir avec l'eau et la lumière du soleil. Le résultat pourrait être un système carboné complètement fermé dans lequel les centrales produisent de l'électricité par combustion, mais le CO2 n'est jamais libéré dans l'atmosphère.

"Cela n'arrivera pas demain, " a dit Bergens. " Mais à moyen terme, cela pourrait nous faire gagner du temps pour déployer de nouveaux carburants qui utilisent autre chose que du carbone. »

Bergens a quelques idées sur ce à quoi pourrait ressembler ce nouveau carburant. Il dessine sur son tableau une molécule qui lie l'hydrogène à un autre élément commun, et n'émettrait que de l'eau lorsqu'il était brûlé, mais il l'efface rapidement.

"C'est plus loin dans le futur, " dit-il avec un sourire. "Mais ça marche au tableau."