Revoir le globe
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Exposition "PhotonFutur"
(Espace des Sciences Pierre-Gilles de Gennes, Paris, France) |
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Mardi 15 décembre 2015
A l'heure où l'on se préoccupe de savoir comment notre planète gérera demain ses sources d'énergie, voici une exposition qui intéressera un grand nombre d'entre nous : l'Espace Pierre-Gilles de Gennes (Paris 5è) propose actuellement une exposition temporaire appelée Photonfutur, qui apporte des idées pour illuminer l'énergie. Au départ, la lumière peut être énergie, mais l'énergie peut aussi être lumière. Dans le premier cas, la lumière est une source renouvelable, et dans l'autre, un besoin énergivore. Les émissions de gaz étant devenues la bête noire , il s'agit désormais de trouver comment apprivoiser cette dualité pour obtenir un couple lumière/énergie propre, pérenne, et durable. Aussi l'exposition Photonfutur se compose t-elle de deux parties : une partie sur l'énergie pour produire de la lumière, et une partie sur la lumière pour produire de l'énergie. Son objectif est de proposer un choix d'innovations qui, à leur manière, participent à l'effort commun de lutte contre le changement climatique et de permettre ainsi un développement durable. Cette exposition est conçue comme une exposition évolutive, et sera, pendant toute sa durée, ponctuée de faits d'actualité et de projets réalisés par les étudiants de l'ESPCI et des autres établissements de l'Université de recherche Paris Sciences et Lettres.
Savez-vous que le Soleil envoie quotidiennement sur Terre 8000 fois l'énergie que nous consommons ? La lumière est donc une source d'énergie renouvelable immense. Le problème est que cette lumière est intermittente (car il fait nuit une partie du temps). Par ailleurs, le monde de la lumière artificielle change, et nos habitudes de consommation évoluent. Aussi, quelle est la part d'énergie qui est utilisée pour s'éclairer, et peut-on optimiser cette consommation ? PhotonFutur fait le tour des innovations qui existent, de la bioluminescence aux LEDs, en passant par les fibres optiques, le Li-fi, les panneaux photovoltaïques organiques, ou même la fusion laser. L'exposition présente les programmes de recherches en cours de manière synthétique et est accessible au plus large public (dès l'âge de 8 ans).
Intéressons-nous d'abord à la première partie : de l'énergie pour produire de la lumière. Depuis son apparition sur terre, l'homme a toujours cherché à dompter la nuit, pour des besoins de protection, de confort, de lien social ou, tout simplement, pour gagner du temps. L'éclairage est ainsi devenu indispensable à l'humanité. De la lampe à huile aux technologies LED, nous avons fait bien du chemin dans ce monde de l'éclairage, sans compter que nos habitudes, elles aussi, ont évolué. Aujourd’hui, cet éclairage est l'une des premières sources de consommation d'électricité dans le monde. Et se trouve donc au centre des problématiques énergétiques du XXI è siècle. C'est Thomas Edison qui inventa l'ampoule à incandescence, en 1879. Cette ampoule restera un siècle durant le principal moyen pour s'éclairer. Pourtant, une ampoule à incandescence ne produit que...2% de lumière, et 98% de chaleur pour 100% d'énergie utilisée. Il fallait donc trouver de nouvelles ampoules , moins gourmandes en énergie et plus efficaces. Les ampoules « basse consommation » réduisent la quantité d'électricité consommée pour éclairer mais présentent plusieurs inconvénients écologiques. D'où la technologie LED, avec, notamment l'arrivée de la LED bleue. Alors que les diodes rouges et vertes existent déjà depuis 50 ans, la découverte, en 1992, d'une composante bleue a permis de mettre au point des sources de lumière blanche bien moins énergivores que les éclairages traditionnels et de développer des disques optiques de plus grande capacité. La diode bleue permet aussi d'éclairer les écrans à cristaux liquides (télévision, tablettes...). On a ainsi découvert que les lampes à diode permettaient un rendement lumineux pouvant atteindre jusqu'à 300 lumens par Watt, contre respectivement 70 lumen/Watt et 16 lumens/Watt pour les tubes fluorescents (néons) et les ampoules à incandescence. La lampe à huile, elle, n’offrant que 0,1 lumen/Watt.
Il est également possible d'exploiter la capacité des êtres vivants à émettre de la lumière (champignon, plante, algue) pour obtenir de l'éclairage par bioluminescence. Aujourd'hui, scientifiques et designers travaillent ensemble afin de concevoir des lampes « naturelles ». Les résultats sont encourageants mais est-ce une fausse bonne idée ou bien la révolution verte de demain ? Et puis, en quoi la bioluminescence consiste t-elle? Il s'agit de la production et de l'émission de lumière par un organisme vivant, résultant d'une réaction chimique au cours de laquelle l'énergie chimique est convertie en énergie lumineuse. C'est que l'enjeu est considérable, lorsqu'on sait que plus de 70% de l'énergie consacrée à l'éclairage est consommée journellement et que plus de quatre millions de tonnes de CO2 sont produite inutilement chaque année par l’éclairage obsolète des bâtiments. PhotonFutur attire aussi notre attention sur le fait que consommer mieux permet de consommer moins. Et ces nouvelles technologies autour de l'éclairage s'accompagnent justement de nouvelles façons de consommer la lumière. Alors que certains exploitent le soleil pour éclairer les pièces sombres (light in the bottle), d'autres imaginent des parcs souterrains (low line). D'autre part, on sait que le rendement d'une ampoule à incandescence est médiocre, mais si une telle ampoule est alimentée par des énergies propres et renouvelables, elle polluera toujours moins qu'une LED allumée grâce à une énergie issue d'une centrale à charbon. Aussi la notion d'efficacité énergétique nécessite t-elle de regarder au-delà de l'ampoule. Avec la révolution des LED, d'autres façons d'utiliser la lumière apparaissent : le Li-fi permet par exemple le transport des données, affranchi des connexions et des ondes radio. Plus rapide que le wifi et moins énergivore, il ne fonctionne par contre que lorsque la lumière est allumée. Technologie de communication sans fil basée sur l'utilisation de la lumière visible, le Li-fi utilise le spectre visible (optique) du spectre électromagnétique, et son principe repose sue le codage et l'envoi de données, via la modulation d'amplitude des sources de lumière et d'après un protocole bien défini et standardisé . Cette technologie permet de transporter des données via une lampe LED (cette dernière étant capable de s'allumer et de s'éteindre des millions de fois par seconde), tout en consommant moins d'énergie, en offrant une plus grande sécurité et dix fois plus rapidement que le wifi. En 2015, le Li-fi peut par exemple s'intégrer dans un réseau internet haut-débit en permettant une communication entre une lampe connectée au réseau, via un câble Ethernet et des ordinateurs distants de quelques mètres et dotés d'un capteur spécial. Le progrès n'a pas de limites.
La deuxième partie de l'exposition est tout aussi passionnante : de la lumière pour produire de l'énergie. Les chercheurs ont déduit qu'en plaçant des panneaux photovoltaïques sur 5% de la surface des déserts, l'humanité subviendrait à ses besoins en énergie. Pourtant, l'exploitation de cette ressource a encore bien des progrès à faire. Certes, la source d'énergie solaire est renouvelable, mais à ce jour, ne peut être stockée, sans parler de l'intermittence et de l’inégalité de cette source d'énergie. L'énergie solaire permettrait pourtant d'alimenter chaque jour 8000 planètes, mais notre planète n'exploite aujourd'hui cette source d'énergie qu'à hauteur de moins de 5% de la production d'électricité mondiale. L'intermittence (il n'y a pas de soleil la nuit) et la répartition inégale de la lumière du Soleil sur notre planète nécessitera d'immenses progrès dans la distribution de l’électricité produite pour contrer ces aléas. Obtenir un réseau intelligent capable d'optimiser la production, le stockage et le transport de l'électricité issu du solaire, voilà la clef du problème. Outre l’électricité, le solaire permet de produire d'autre formes d'énergie comme les biocarburants, grâce à la photosynthèse. L'ambition des chercheurs est de contrôler la production des micro-algues (dont la photosynthèse est jusqu'à 10 000 fois plus rapide que celle des plantes!). Pour ce faire, les scientifiques travaillent sur un Photobioréacteur dont le rendement serait suffisamment bon pour être exploité à grande échelle et de façon durable. Cet appareil est un système assurant la production de micro-organismes photosynthétiques en suspension dans l'eau. Cette production se fait par culture, le plus souvent clonale, en milieu aqueux sous éclairage. Les photobioréacteurs sont de nature très variées, depuis les bassins à ciel ouvert, jusqu'aux systèmes clos. Et diffèrent par de nombreux aspects (géométrie, conditions de culture, mode de confinement, lumière, mélange, contrôle thermique, transferts de gaz, conditions d'exploitation).
Il faut se souvenir que chaque surface constitue un panneau solaire potentiel, voir un four solaire qui s'ignore. L'énergie solaire permet une production d'énergie au plus près du consommateur, permettant par exemple à ce dernier de s'affranchir de la connexion au réseau électrique. C'est ce qu'on appelle le off grid (hors réseau). Partant de ce constat, de nouvelles technologies apparaissent pour nous permettre d'exploiter au maximum toutes les surfaces disponibles et d'exploiter l'énergie solaires sous différentes formes. Soulignons toutefois que les matériaux utilisés dans ces technologies sont parfois des matériaux rares, dont l'approvisionnement reste aléatoire, tout comme le recyclage de ces mêmes produits. Une innovation prometteuse pourrait demain permettre de produire une énergie inépuisable, sans gaz à effet de serre ni déchets, tout en autorisant une production équivalente à ...mille centrales nucléaires ! La fusion nucléaire, qui en est encore au stade expérimental, consiste à produire des fusions nucléaires plus efficaces que celles du Soleil, grâce à des faisceaux laser de très hautes énergies. Le processus consiste à assembler deux noyaux atomiques pour en former un plus lourd. Cette fusion de noyaux légers dégage d'énormes quantités d'énergie provenant de l'attraction entre les nucléons due à un forte interaction, et est, avec la fission, l'un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées. Un de ses intérêts est de permettre, en théorie, l'obtention d'une énergie beaucoup plus importante. A masse de combustible égale, la fusion libère trois à quatre fois plus d'énergie que la fission. Ensuite, le stock de combustible est beaucoup plus large : les océans contiennent ainsi une telle masse de deutérium qu'ils pourraient en principe satisfaire la consommation d'énergie actuelle de l 'humanité pendant cent millions d'années (un mètre cube peut potentiellement fournir autant d'énergie que la combustion de 700 tonnes de pétrole). Les recherches sur la fusion nucléaire, en cours depuis les années 1950, n'ont encore donné lieu à aucune application industrielle de la fusion en dehors des armes nucléaires mais l'espoir demeure. Au cours de ma visite, je tomberai sur plusieurs statistiques : j'apprendrai ainsi que plus de 70% de l'énergie pour l'éclairage est consommé de jour. Que trois ampoules de 75 Watts allumées le temps d'une soirée consomment autant qu'une lessive à 60°. Qu'un ménage français possède en moyenne 25 points lumineux et qu'une lampe est utilisée en moyenne mille heures par an (soit 3 heures environ par jour. Comme vous le voyez, le domaine de l'énergie risque encore de nous surprendre longtemps. Et l'exposition PhotonFutur de captiver bien des visiteurs! INFOS PRATIQUES :
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