Objectifs de développement durable

Date de publication : 09 October 2024

Publié par : Shweta Singh

La photosynthèse artificielle

Répondre à la demande croissante de carburant ?

La demande de pétrole ne cesse de croître et sa consommation ne devrait guère diminuer compte tenu de la demande énergétique croissante. Cependant, malgré cette demande grandissante, divers facteurs tels que le prix du pétrole et la pollution croissante liée aux hydrocarbures affectent son utilisation. De plus, les événements géopolitiques ont également perturbé l'approvisionnement en pétrole. Le conflit russo-ukrainien, par exemple, a entraîné une modification de la demande. Afin de satisfaire cette demande, le recours à des solutions alternatives se développe. Ainsi, la préférence pour les combustibles fossiles conventionnels s'est accrue ces dernières années, mais face à l'épuisement croissant des ressources naturelles, de nombreuses alternatives sont étudiées. Chaque année, près de 87 milliards de dollars de ressources naturelles sont consommés. Parmi les différentes alternatives, la photosynthèse artificielle est une méthode récente qui fait l'objet de recherches.

Comment la photosynthèse artificielle produit-elle du pétrole ?

Grâce à la photosynthèse artificielle, un scientifique est parvenu à produire du pétrole à partir d'eau, de dioxyde de carbone et de lumière solaire. Les chercheurs développent des systèmes qui utilisent ces ressources naturelles pour transformer l'énergie solaire en énergie chimique et la stocker dans des composés biochimiques, en simulant ce processus. La photosynthèse artificielle permet de produire différents types de carburants, notamment des hydrocarbures comme le méthanol (CH₃OH), l'acide formique (HCOOH), le monoxyde de carbone (CO) et le méthane (CH₄), ainsi que de l'hydrogène pur. Les dispositifs utilisés sont des cellules photoélectrochimiques ou des électrolyseurs photovoltaïques.

Comprendre le processus en détail

• 1. La première étape majeure consiste à décomposer l'eau en hydrocarbures et en oxygène grâce à la lumière solaire et à un photocatalyseur qui joue un rôle essentiel. Sans apport d'électricité, l'eau est décomposée en hydrogène et en oxygène par la focalisation de la lumière sur un catalyseur constitué d'une feuille immergée dans l'eau. L'utilisation de l'énergie solaire présente l'avantage de ne pas produire de CO₂ durant toute la phase de production.
• 2. De plus, afin de séparer l'hydrogène du mélange gazeux d'hydrogène et d'oxygène libéré, une membrane de séparation est utilisée. Il est essentiel de séparer correctement et en toute sécurité l'hydrogène et l'oxygène, car leur mélange est explosif.

Une application où le carburant est généré par

La photosynthèse artificielle pourrait être utilisée

• Transports – La demande en véhicules électriques à batterie est en forte hausse. Cependant, le poids des batteries est bien supérieur à celui des réservoirs de carburant et leur encombrement est considérable. Par conséquent, une solution qui ne remplace pas le carburant et ne contribue pas au réchauffement climatique s'avérait nécessaire. C'est pourquoi l'étude de la photosynthèse artificielle connaît un essor important.
• Production d'électricité – Entre 2010 et 2021, la demande mondiale d'électricité a augmenté d'environ 380 TWh. Au premier semestre 2022, cette demande a atteint environ 13 390 TWh, contre environ 13 000 TWh sur la même période en 2021. L'hydrogène produit par photosynthèse artificielle pourrait servir à la production d'électricité. Cependant, son utilisation pour des projets de grande envergure reste limitée. Néanmoins, des études ont montré qu'avec des améliorations, il pourrait à terme satisfaire la demande en électricité. Par ailleurs, des recherches sont menées sur l'utilisation de la photosynthèse artificielle pour la production de plastique. Le plastique synthétique devrait être entièrement remplacé par des matériaux renouvelables. De nombreux appareils dotés de revêtements plastiques, tels que les téléphones portables, les ordinateurs portables, les instruments médicaux, etc., pourraient ainsi être remplacés par des plastiques renouvelables.

Différence entre le naturel

Photosynthèse et photosynthèse artificielle

Contrairement à la photosynthèse naturelle, qui produit du glucose et de l'oxygène à partir de la lumière solaire, de l'eau et du dioxyde de carbone, la photosynthèse artificielle consiste à stocker l'énergie solaire dans les liaisons chimiques d'un carburant solaire. Par conséquent, les trois principaux processus de la photosynthèse artificielle sont équivalents à ceux de la photosynthèse naturelle : l'absorption de la lumière pour atteindre un état excité, le développement, la séparation des charges et la conversion chimique pour produire le carburant.

Quelles régions jouent le plus ?

L'accent est mis sur la photosynthèse artificielle ?

La région Asie-Pacifique connaît une forte demande en pétrole, entraînant une pollution importante due aux combustibles fossiles. Par exemple, la consommation de pétrole dans cette région a atteint près de 36 millions de barils par jour en 2021, contre environ 30 millions de barils par jour en 2012. C'est pourquoi elle a lancé diverses initiatives pour encourager l'adoption de la photosynthèse artificielle. En 2022, le Japon mettait en place le cadre d'un autre essai majeur utilisant la photosynthèse artificielle, une technologie émergente qui devrait révolutionner les efforts de réduction des émissions de carbone à l'échelle mondiale. Financée par le gouvernement japonais, cette initiative, qui vise à tester la technologie en 2030, sera menée par l'Université de Tokyo en collaboration avec des entreprises telles que Mitsubishi Chemical et Toyota Motor, ainsi que des organismes de recherche. L'objectif est de commercialiser cette technique d'ici 2040, en obtenant l'accord des entreprises chimiques. Par ailleurs, en 2020, le Département de l'Énergie des États-Unis (DOE) a annoncé qu'il financerait, dans le but d'améliorer la photosynthèse artificielle (le processus de production de carburants à partir de la lumière du soleil), deux nouveaux projets à hauteur de 100 millions de dollars sur cinq ans.

Perspectives du marché de la photosynthèse artificielle

Le secteur de la photosynthèse artificielle devrait générer le plus important chiffre d'affaires, soit 258 millions de dollars, d'ici fin 2035. Ce chiffre d'affaires s'élevait à environ 68 millions de dollars en 2022. Cette croissance devrait se poursuivre à un rythme d'environ 17 % par an sur la période prévisionnelle 2023-2035.

Suite de la photosynthèse artificielle

Étant donné que les techniques de photosynthèse artificielle actuellement utilisées sont bien moins efficaces que le processus naturel, des améliorations sont en cours. Le fait que les nanoparticules moléculaires de la photosynthèse artificielle soient moins coûteuses, plus légères et plus respectueuses de l'environnement que les panneaux solaires actuels est l'un des facteurs qui stimulent le développement de cette technologie. Afin de limiter la dépendance aux sources d'énergie actuelles, l'utilisation de la photosynthèse artificielle devrait croître. De plus, cette méthode est susceptible d'inverser les effets du réchauffement climatique puisqu'elle absorbe le dioxyde de carbone et produit de l'oxygène. Par ailleurs, l'hydrogène produit par la photosynthèse artificielle peut être utilisé pour alimenter des moteurs à combustion modifiés ou des batteries de véhicules hybrides électriques. Enfin, il peut servir de matière première chimique non fossile pour produire de l'ammoniac, essentiel à la fabrication de produits alimentaires.

Conclusion

La photosynthèse artificielle devrait permettre de satisfaire la demande énergétique. Cependant, cette demande, liée à la croissance démographique, est sans cesse croissante et semble illimitée. Par conséquent, si elle continue d'augmenter, le procédé ne pourra pas fournir l'énergie nécessaire, car le rapport entre la consommation et l'énergie varie chaque année, et la photosynthèse artificielle ne pourra pas s'adapter à ces variations. Ce procédé étant récent et faisant encore l'objet de recherches, la dépendance aux énergies fossiles pourrait persister, et l'émergence d'alternatives devrait freiner son développement. Toutefois, les initiatives gouvernementales devraient stimuler la recherche. De plus, grâce aux progrès technologiques et à l'avancement de la recherche, des chimistes ont mis au point une photosynthèse artificielle dix fois plus efficace que les systèmes existants.