Comment les batteries solaires moléculaires stockent la lumière du soleil sous forme de chaleur

Emprisonner la lumière du soleil dans une molécule

Et si vous pouviez piéger la lumière du soleil dans un liquide, la stocker pendant des mois, voire des années, et la libérer sous forme de chaleur chaque fois que vous en avez besoin – sans lithium, sans métaux rares, sans déchets ? C'est la promesse du stockage d'énergie solaire thermique moléculaire (MOST), une technologie qui transforme des molécules spécialement conçues en un carburant rechargeable alimenté entièrement par le soleil.

Contrairement aux panneaux photovoltaïques, qui convertissent directement la lumière en électricité, les systèmes MOST stockent l'énergie solaire dans des liaisons chimiques. Le concept remonte à plusieurs décennies, mais des avancées récentes ont poussé les densités énergétiques au-delà de celles des batteries lithium-ion, ravivant l'intérêt pour ce qui était autrefois une curiosité de laboratoire.

Comment fonctionnent les systèmes MOST

Au cœur de chaque système MOST se trouve un photocommutateur moléculaire – un composé qui change de forme lorsqu'il est frappé par la lumière du soleil. Le processus se déroule en trois étapes :

1. Capture. Les photons frappent la molécule mère, l'excitent et déclenchent un réarrangement structurel appelé photoisomérisation. La molécule se tord en une forme tendue et à haute énergie connue sous le nom d'isomère métastable.
2. Stockage. Parce que l'isomère tendu est métastable, il reste bloqué dans son état de haute énergie pendant des périodes prolongées – de quelques heures à quelques années, selon la conception moléculaire – sans fuite d'énergie.
3. Libération. Un petit déclencheur – de la chaleur, un catalyseur ou une longueur d'onde spécifique de la lumière – ramène la molécule à sa forme détendue. L'énergie stockée se déverse sous forme de chaleur à la demande.

Surtout, aucun réactif n'est consommé et aucun sous-produit ne se forme. La molécule peut être rechargée avec de la lumière et réutilisée, fonctionnant comme un cycle de carburant en boucle fermée et sans émission.

Les molécules derrière la magie

Les chercheurs ont exploré plusieurs familles de photocommutateurs. La plus étudiée est la paire norbornadiène–quadricyclane (NBD–QC). Lorsque le norbornadiène absorbe la lumière UV ou visible, il se convertit en quadricyclane, stockant jusqu'à 0,48 MJ par kilogramme. Le système est robuste et bien compris, mais il est confronté à des compromis : modifier la molécule pour absorber davantage le spectre solaire raccourcit souvent le temps de stockage ou diminue la densité énergétique.

Une avancée majeure est venue de UC Santa Barbara, où l'équipe de Grace Han, professeure agrégée, a conçu un photocommutateur à base de pyrimidone – une structure inspirée d'un composant de l'ADN. Publié dans la revue Science, le travail a atteint une densité énergétique record de 1,65 MJ par kilogramme, soit environ le double de celle d'une batterie lithium-ion standard. La pyrimidone est soluble dans l'eau, stocke l'énergie jusqu'à trois ans et, lorsqu'elle est déclenchée par un catalyseur acide, libère suffisamment de chaleur pour faire bouillir de l'eau en une demi-seconde.

Pourquoi c'est important pour la transition énergétique

Les batteries conventionnelles excellent dans le stockage de l'électricité, mais se dégradent avec le temps, dépendent de métaux extraits et posent des problèmes de recyclage. Les systèmes MOST évitent bon nombre de ces problèmes :

• Stockage de longue durée. L'énergie enfermée dans les liaisons chimiques ne s'autodécharge pas comme le font les batteries, ce qui rend MOST attrayant pour le stockage saisonnier ou à long terme.
• Matériaux abondants. Les molécules sont des composés organiques construits à partir de carbone, d'azote et d'oxygène – des éléments bon marché et abondants.
• Aucune émission. Le cycle de charge-décharge ne produit pas de gaz à effet de serre ni de déchets dangereux.

Les applications potentielles vont du chauffage des bâtiments et du déneigement des routes à la fourniture d'énergie thermique portable dans des environnements hors réseau.

Défis à relever

Malgré la promesse, la technologie MOST est encore au stade expérimental. Les principaux obstacles comprennent l'augmentation de la production, l'amélioration de l'efficacité avec laquelle les molécules absorbent le large spectre solaire et la garantie que les matériaux survivent à des milliers de cycles de charge-décharge sans se dégrader. L'extraction et le transfert de la chaleur stockée à des températures utiles restent également un défi d'ingénierie.

Des chercheurs à travers l'Europe, les États-Unis et l'Asie travaillent sur ces problèmes, soutenus par des programmes tels que le projet MOST Horizon 2020 de l'UE. S'ils réussissent, les batteries solaires moléculaires pourraient offrir un complément propre et recyclable aux cellules lithium-ion – un moyen d'embouteiller le soleil et de l'ouvrir chaque fois que le monde a besoin de chaleur.