Photosynthèse vs photovoltaïque : le match du renouvelable !

Qu'est-ce qui est le plus efficace ? la technologie humaine, le photovoltaïque, ou une des grand-oeuvres de dame nature, la photosynthèse ?
Il faut bien comprendre l'enjeu de ce type de question : le soleil envoie sur terre environ 120000 Tera-Watts ( soit  Watts !!), là où les besoins de l'humanité entière sont estimés à 15 Tera-Watts... Bref, l'énergie renouvelable viendra du soleil ou ne viendra pas.



La photosynthèse, pour résumer simplement, consiste en la transformation photochimique du dioxyde de carbone atmosphérique et de l'eau en glucose et dioxygène (pour les chimistes, il ne s'agit de rien d'autre que d'une réaction d'oxydoréduction entre l'eau, le réducteur, et le dioxyde de carbone, l'oxydant) :

Avantages : 

• Approuvée par mère nature depuis plus de 3 milliards d'année
• Produit directement de l'énergie stockable facilement

Inconvénients :

• Nécessite de l'eau
• rendement maximal obtenu : 3 % dans des bioréacteurs optimisés (par l'homme)

Il faut bien voir que le processus de photosynthèse est limité par deux points principaux : Le premier, c'est que les pigments qui permettent d'initier le processus, la chlorophylle, ne récolte qu'une faible partie du rayonnement solaire (qu'environ 1/3 du spectre de la lumière visible, pas d'infrarouge ni d'ultraviolet). Alors forcément, ça limite beaucoup l'efficacité. L'autre soucis, et non des moindres, c'est que la photosynthèse n'est pas la raison d'être d'un organisme. le but d'un végétal chlorophyllien n'est pas de produire avant tout du glucose et de croître. Il se développe selon d'autres paramètres (son environnement, son patrimoine génétique, sa reproduction) qui impose une dépense d'énergie. Bref, on ne peut pas récupérer toute l'énergie produite, la plante se sert avant !

L'avenir :

• Les OGM bien sûr. En utilisant de la chlorophylle issue de certaines cyanobactéries (dont le spectre d'absorption est bien plus large), et en optimisant les processus naturels, on pourrait imaginer obtenir des rendements meilleurs... mais forcément limités (environ 30 % de l'énergie produite par photosynthèse est utilisée pour les fonctions vitales de l'organisme)

Le photovoltaïque, consiste en l'exploitation de l'effet photoélectrique : un photon peut, s'il a la bonne énergie, éjecter un électron d'un matériau. Il s'agit ensuite de choisir les bons matériaux, et de se débrouiller pour que l'électron éjecté soit récupéré dans le circuit électrique que l'on souhaite alimenter...  Bref, ça fonctionne avec des semi-conduteurs et des jonctions P-N, mais on ne va pas entrer dans les détails.

Cependant, pour pouvoir le comparer avec la photosynthèse, il faut coupler les cellules photovoltaïques avec un électrolyseur, qui va synthétiser du dihydrogène et du dioxygène à partir de l'eau. (autrement dit, on va stocker l'énergie sous forme d'énergie chimique, comme dans le cas de la photosynthèse.

Avantages :

• Le rendement : même en comptabilisant les pertes liées aux rendements de l'électrolyse de l'eau, on arrive à plus de 20 % pour des cellules simples, et jusqu'à 66 % avec des cellules multijonctions !
• Ne nécessite pas d'eau
• La production énergétique est immédiate (pas besoin d'attendre que la plante veuille bien pousser...)

Inconvénients :

• Technologie coûteuse en argent et en énergie : on estime à 2 / 3 ans le temps de fonctionnement nécessaire à une cellule photovoltaïque pour produire autant d'énergie qu'on en a dépensé pour la fabriquer...
• Technologie fragile ; et lorsqu'une cellule est cassée, on ne la répare pas, on la change.
• Certains dopants, comme l'indium, nécessaire pour la fabrication des cellules, se raréfient sur Terre : les prix montent, et il apparaît la nécessité de développer d'autres technologies. 

On le voit, le photovoltaïque remporte le concours du rendement haut la main. Cependant, les coûts, la difficulté de fabrication, et la fragilité du capteur posent de réels soucis.

L'avenir :

• Les études vont dans le sens de la minimisation des coûts de fabrication de ces cellules, déjà très performantes
• D'autres matériaux sont envisagés, et en particulier des composés organiques, mais le spectre d'absorption de ces matériaux est pour l'instant trop étroit et ils sont trop sensibles à l'oxydation par le dioxygène.

Pour conclure, je me demande si l'avenir de la production énergétique réside bien dans une de ces deux technologies... Et si c'étaient les centrales solaires "thermodynamiques" ? Le principe est simple (pour une fois !) un fluide est chauffé par des miroirs concentrant la lumière, et ce fluide vient chauffer de l'eau, qui va entraîner des turbines, tout comme dans une bonne vieille centrale thermique, ou nucléaire... Des projets gigantesques sont en cours d'évaluation, comme le projet Desertec, qui pourrait fournir à l'Europe un quart de ses besoins en électricité à l'horizon 2050... Je vous laisse le soin de naviguer sur internet pour les détails, c'est déjà traité abondamment...

Sources :

• "Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement" R. Blankenship et al. Science 2011, 6031, 805-809
• Wikipedia bien sûr !