Spécial Energie
Article 12
Production et stockage d’énergie : la piste des nanos
Rail & Recherche n°40 - juillet/août/septembre 2006
Les chercheurs croient aux nanos. Leur apport dans le domaine de l’énergie semble promis au plus bel avenir : amélioration des piles à combustible par l’accroissement des capacités de production et de stockage de l’hydrogène, amélioration également du transport et du stockage de l’électricité et développement de nouveaux matériaux.
Depuis l’origine, les piles à combustible posent un problème de stockage de l’hydrogène. La technologie actuelle consiste à stocker ce gaz sous pression (jusqu’à 700 bars), un mode de stockage qui présente néanmoins plusieurs inconvénients : une capacité volumique faible en dépit de la pression, un coût énergétique nécessaire à la compression et, enfin, un risque "explosif" important.
Parmi les nombreuses recherches entreprises pour résoudre ce problème, le principe de l’adsorption du gaz sur une surface est apparue très vite comme l’une des pistes les plus prometteuses quant à l’accroissement des capacités. Cette technologie consiste en effet à augmenter la concentration d’un gaz à l’interface de matériaux extrêmement poreux. Des études pour le projet de l’autorail à gaz avaient été menées par la Recherche SNCF avec Gaz de France sur l’adsorption du gaz sur des charbons actifs. C’est ce principe d’adsorption qui va naturellement rencontrer un terrain idéal de développement avec l’essor des nanotechnologies. Il va pouvoir, en effet, être mis en œuvre sur des types de structures extrêmement fines et donc très "surfaciques" : les nanotubes de carbone.
50 000 fois plus fin qu’un cheveu et 100 fois plus solide qu’un câble
On ne connaissait le carbone que sous deux formes, graphite et diamant, jusqu’à ce que Richard Smalley, prix Nobel de chimie 1996, découvre les fullerènes.
Les fullerènes sont des sphères de carbone stable, ressemblant à des ballons de football. Cette sphère a permis de fabriquer un matériau de taille nanométrique (10– 9 m) : le nanotube de carbone, qui se présente sous la forme d’un cylindre fermé de chaque côté par 2 demi-sphères et sur lequel sont disposés les atomes de carbone.
Le nanotube est considéré comme une des matières les plus importantes de la nanotechnologie. Il présente la particularité d’être 50 000 fois plus fin qu’un cheveu et 100 fois plus solide qu’un câble. Il peut être plié et déformé sans jamais se casser. Ces propriétés permettent d’envisager plus de 60 applications dans des secteurs très variés : diodes, blindage électromagnétique, écrans plats à émission de champ, pointe de microscope…
Compte tenu de leur surface, les nanotubes peuvent accumuler des volumes de gaz importants par adsorption. On peut même enfiler plusieurs nanotubes de différents diamètres. Cette technique ouvre une voie royale à l’augmentation des capacités de stockage des gaz, mais aussi des électrons dans le cas des supercondensateurs où les pores du graphite stockent l’électricité statique. Les nanotechnologies sont déjà utilisées dans les textiles, les peintures, les bétons haute performance. Des nanostructures magnétiques équipent, depuis une quinzaine d’années, les têtes de lecture et d’écriture des disques durs d’ordinateurs. À l’heure actuelle, de nombreux travaux menés sur l’énergie s’apprêtent à produire, demain, des débouchés industriels décisifs.