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Le défi des matériaux pour l’énergie

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Dijon, le 20 janvier. Le colloque annuel de l’école d’ingénieurs Esirem a fait le point sur l’apport des matériaux pour mieux utiliser l’énergie et préserver l’environnement.

Dans le cadre de son colloque industriel annuel, l’Ecole supérieure d’ingénieurs de recherche en électronique et en matériaux (Dijon) a réuni cette année des industriels et des chercheurs impliqués dans les matériaux pour l’énergie. L’occasion de croiser les expériences et de faire partager les résultats de ses travaux.

Chef du groupe «prospective énergétique et appui stratégique» chez EDF, Christophe Marchand rappelait les défis de son métier : 'développer des technologies, notamment dans les matériaux, permettant de concilier les besoins croissants en énergie, les ressources limitées en hydrocarbures et la maîtrise des émissions de gaz à effet de serre.'

Selon lui, les voies à suivre sont notamment la possibilité de capter et de stocker massivement le CO2, l’émergence de panneaux photovoltaïques hautes performances et la mise en en service industrielle de nucléaire de génération IV (surgénérateur et incinérateur des déchets à durée de vie très longue).

A ce propos, Eric Welle, ingénieur de recherche au département matériaux et mécanique des composants chez EDF travaille sur les solutions pour les systèmes nucléaires du futur.

«Nos travaux portent sur deux concepts : le réacteur à sels fondus (RSF) et le «Very high température reactor» (VHTR).» Le RSF est un concept dans lequel le combustible nucléaire est le thorium naturel. Les études portent notamment sur les procédés les plus adaptés pour l’extraction des poisons neutroniques (gaz rares et lanthanides). «Nous travaillons aussi sur les études de tenue en corrosion des alliages base nickel envisagés pour ce type de réacteurs et sur le choix du mélange de sels fondus le plus adapté.»

Le VHTR est quant à lui un réacteur à caloporteur gaz, de l’hélium sous une pression d’environ 70 bars. La température du circuit primaire peut atteindre 950 °C ou plus afin de permettre de coupler le réacteur nucléaire à une unité de production d’hydrogène par décomposition chimique de l’eau. «Dans ce cadre, nous étudions les matériaux de structure en prévoyant que sous certaines conditions, une carburation ou une décarburation est attendue».

Directeur de recherche au CNRS, Jean-Marc Bassat travaille sur les matériaux pour piles à combustibles SOFC (Solid oxide fuel cell). «Depuis quelques années, est apparu le concept de matériaux de cathode ‘conducteurs mixtes’, c’est-à-dire à la fois conducteurs électroniques et ioniques de l’oxygène. Ces matériaux doivent présenter de très bonnes propriétés électrocatalytiques vis-à-vis de la réduction de l’oxygène».

Des nickelates de lanthane présentant une conductivité mixte ont été mis en évidence. A partir d’un montage électrochimique sur demi pile électrolytique/cathode, ce type de matériaux permet d’obtenir la même densité de courant que le matériau classique LSM (La0,8Sr0,2MnO3), mais pour une température très sensiblement abaissée.

Gérard Pourcelly, directeur de l’Institut européen des membranes, présentait les travaux actuels sur les piles à combustibles à électrolyte polymère solide. «Les efforts de recherche actuels portent sur l’amélioration des propriétés (activité et sélectivité) des catalyseurs des réactions électrochimiques aux électrodes. L’augmentation de la température de fonctionnement de 80 à 150 °C permettrait d’accroître d’un facteur 100 à 1000 la vitesse des réactions électrochimiques». Cela nécessite de développer des membranes supportant 150 °C.

Deuxième axe : le développement de membranes protoniques présentant de meilleurs performances que la membrane Nafion. «Les travaux actuels portent sur des membranes fluorées et sur des PEEK (polyétheréthercétones) sulfonés» indique Gérard Pourcelly.

Directeur de la recherche chez Saft, Anne de Guibert exposait les travaux actuels sur les matériaux pour accumulateurs lithium-ion. «L’enjeu est de pouvoir dépasser les 200 Wh/kg atteints par les technologies actuelles. Les matériaux d’électrode positive sont actuellement le LiCoO2. Pour le futur, des nouveaux composés oxydes mixtes ou phosphates sont en cours de développement.'

Les questions de structure et de texture des matériaux sont également des sujets d’études. L’électrode négative utilise aujourd’hui des graphites ou autres composés carbonés : la limite de capacité spécifique est de 370 mAh/g. «Nous travaillons sur de nouvelles familles de composés (alliages, oxydes…) avec l’objectif de doubler cette capacité, avec l’impératif de maintenir une excellente durée de vie. Ces recherches impliquent notamment le réseau d’excellence Alistore du 6e  PCRD ».

Enfin, chez Saint-Gobain recherche, Paul Mogensen présente les défis des matériaux photovoltaïques. «Cette technique est encore relativement chère pour la production d’électricité, c’est pourquoi la recherche est focalisée sur l’augmentation des rendements photovoltaïques et sur la réduction de la quantité de matière première intégrée dans les dispositifs.»

Des semiconducteurs III-V à très haut rendement et des dispositifs sous forme de couches minces ont été mis au point. Des nouvelles voies pour la production d’énergie sont aussi à l’étude, comme les systèmes colorants (cellules Gretzel), les polymères et les photovoltaïques organiques.

Michel Le Toullec

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