Les Énergies « Renouvelables » - Les expériences de ...· Ainsi, le solaire, l’hydraulique, le...

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  • Les nergies Renouvelables

    6 juillet 2011

    IntroductionComme son nom lindique, une nergie renouvelable est une nergie utilisant des lments naturels, renouvels

    plus rapidement quils ne sont consomms. Ainsi, le solaire, lhydraulique, le gothermique, lolien sont des nergiesrenouvelables et respectueuses de lenvironnement. En effet, nergie renouvelable ne signifie pas forcment nergie propre .

    Avec la rcente catastrophe nuclaire de Fukushima au Japon, le recours aux nergies renouvelables et res-pectueuses de lenvironnement apparat comme une des meilleures alternatives aux nergies fossiles. Bien que denombreuses applications existent dj (lavion totalement solaire Solar Impulse par exemple 1), leffort de recherchedans ce domaine sest intensifi, pour que lnergie de demain soit la plus verte possible.

    Dans ce document, nous verrons le fonctionnement dune cellule photovoltaque, lment cl pour convertirlnergie solaire en nergie lectrique.

    Nous verrons aussi le fonctionnement dune pile hydrogne, un dipositif permettant la conversion dnergiechimique en nergie lectrique.

    Lnergie PhotovoltaqueElle est lune des nombreuses nergies alternatives actuellement disponibles. Lnergie photovoltaque est pro-

    duite partir du rayonnement solaire, via un composant lectronique : la cellule photovoltaque.Cette cellule est en gnral compose de Silicium (Si) et se rencontre sous la forme de plaque dune paisseur

    denviron un milimtre, pour une surface allant de dizaines de cm2 quelques m2.

    Figure 1 Cellules photovoltaques

    1. http ://www.lemonde.fr/planete/article/2010/07/08/solar-impulse-remporte-son-pari-solaire_1384980_3244.html#ens_id=1535874

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  • Comment fonctionne une cellule photovoltaque ?

    Un peu de thorie...Pour pouvoir expliquer le fonctionnement dune cellule photovoltaque, il faut tout dabord (re)voir quelques

    notions de physique du solide.En physique du solide, la thorie des bandes permet de modliser les niveaux nergtiques que peuvent occuper

    les lectrons dun solide. Le schma classique pour un semi-conducteur (ou un isolant) est celui propos en figure 2.

    Figure 2 Schma de bandes

    ltat fondamental, on peuplera dlectrons ces niveaux dnergie, en commenant par le plus bas. Lesniveaux peupls par les lectrons forment la bande de valence. Les niveaux vides forment la bande de conduction. Sile matriau est isolant ou semi-conducteur, ces deux bandes seront spares par une bande interdite, ou band gap(avec un valeur de band gap de lordre de quelques eV dans le cas dun semi-conducteur). Dans le cas des mtaux,ces deux bandes ne sont pas spares.

    Lorsquon excite un semi-conducteur par des photons, dont lnergie est au moins gale celle du band gap (dansle cas du silicium 1,12 eV), on promeut un lectron de la bande de valence vers la bande de conduction, formantun trou dans la bande de valence (une absence dlectron). La plupart du temps, cette paire lectron-trou aussinomme exciton , se recombine rapidement.

    La cellule photovoltaqueLeffet photovoltaque utilis dans les cellules solaires permet donc de convertir directement lnergie lumineuse

    des rayons solaires en lectricit par le biais de la production et du transport dans un matriau semi-conducteurde charges lectriques positives et ngatives sous leffet de la lumire. Ce matriau comporte deux parties, luneprsentant un excs dlectrons et lautre un dficit en lectrons, dites respectivement dope de type n et dope detype p.

    Lorsque la premire est mise en contact avec la seconde, les lectrons en excs dans le matriau n diffusent dansle matriau p. La zone initialement dope n devient charge positivement, et la zone initialement dope p chargengativement. Il se cre donc entre elles un champ lectrique qui tend repousser les lectrons dans la zone n et lestrous vers la zone p. Une jonction (dite p-n) a t forme. En ajoutant des contacts mtalliques sur les zones n etp, une diode est obtenue.

    Lorsque la jonction est claire, les photons dnergie gale ou suprieure la largeur de la bande interditecommuniquent leur nergie aux atomes, et une paire lectron-trou est alors cre. Si une charge est place auxbornes de la cellule, les lectrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p via la connexion extrieure, donnantnaissance une diffrence de potentiel : le courant lectrique circule (figure 3).

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  • Figure 3 Schma de fonctionnement dune cellule photovoltaque

    Leffet repose donc la base sur les proprits semi-conductrices du matriau et son dopage afin den amliorerla conductivit. Le Silicium employ aujourdhui dans la plupart des cellules a t choisi pour la prsence de quatrelectrons de valence sur sa couche priphrique (colonne IV du tableau de Mendeleev). Dans le Silicium solide,chaque atome dit ttravalent est li quatre voisins, et tous les lectrons de la couche priphrique participentaux liaisons.

    Si un atome de Silicium est remplac par un atome de la colonne V (Phosphore par exemple), un de ses cinqlectrons de valence ne participe pas aux liaisons ; par agitation thermique, il va trs vite passer dans la bande deconduction et ainsi devenir libre de se dplacer dans le cristal, laissant derrire lui un trou fixe li latome dedopant. Il y a conduction par un lectron, et le semi-conducteur dit dop de type n.

    Si au contraire un atome de Silicium est remplac par un atome de la colonne III (Bore par exemple) troislectrons de valence, il en manque un pour raliser toutes les liaisons, et un lectron peut rapidement venir comblerce manque et occuper lorbitale vacante par agitation thermique. Il en rsulte un trou dans la bande de valence,qui va contribuer la conduction, et le semi-conducteur est dit dop de type p. Les atomes tels que le Bore ou lePhosphore sont donc des dopants du Silicium. Les cellules photovoltaques sont ensuite assembles pour former desmodules.

    Les piles combustibleAutre source prometteuse dnergie lectrique, la pile combustible nest pourtant pas une invention rcente.

    En effet, cest en 1839 quun avocat anglais, sir William R Grove, chercheur amateur en lectrochimie, ralise lepremier modle de laboratoire de pile combustible. Dans ce document, nous traiterons dune des principales piles combustible : la pile Hydrogne.

    Figure 4 Pile combustible

    La pile hydrogne a la particularit dutiliser deux gaz le Dihydrogne H2 et le Dioxygne O2 comme couple

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  • lectrochimique, les ractions doxydo-rduction qui soprent dans la pile sont donc particulirement simples. Laraction se produit au sein dune structure (la cellule lectrochimique lmentaire) essentiellement compose dedeux lectrodes (lanode et la cathode) spares par un lectrolyte, matriau permettant le passage des ions.

    Figure 5 Schma de fonctionnement dune pile Hydrogne

    Les lectrodes mettent en jeu des catalyseurs pour activer dun ct, la raction doxydation de lHydrogne, etde lautre ct, la raction de rduction de lOxygne. Dans le cas dune pile lectrolyte acide (ou pile membranechangeuse de protons), lHydrogne de lanode est dissoci en protons (ou ions Hydrogne H+) et en lectrons,suivant la raction doxydation :

    H2 2H+ + 2e

    la cathode, lOxygne, les lectrons et les protons se recombinent pour former de leau :

    2H+ + 1/2O2 + 2e H2O

    Le principe de la pile combustible est donc inverse celui de llectrolyse de leau. La tension thermodynamiquedune telle cellule lectrochimique est de 1,23 volt (V). Cependant, le rendement dune telle cellule est denviron 50%, lnergie dissipe ltant bien videmment sous forme de chaleur.

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  • Rfrences et liensPatrick Jourde, CLEFS CEA - N 50/51 - HIVER 2004-2005Dossier sur les nergies renouvelables (Universit Louis Pasteur, Strasbourg) : http://science-citoyen.

    u-strasbg.fr/dossiers/ERSite de lagence de lenvironnement et de la matrise de lnergie : www.ademe.frSite dElectricit de France : www.edf.frSite du Commissariat lEnergie Atomique : www.cea.frSite du groupe AREVA : www.areva.comSite de lagence nationale pour la gestion des dchets radioactifs : www.andra.frCentre dinformation sur lnergie et lenvironnement : www.ciele.orgSur le site du Snat : "Energies renouvelables et dveloppement local" Rapport dinformation dpos le 28

    juin 2006, tabli au nom de la dlgation lamnagement du territoire. : http://www.senat.fr/rap/r05-436/r05-436.html

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