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50 défis

De nouveaux matériaux pour généraliser l'usage des panneaux solaires

[Défi 44] Alors que les émissions de CO2 atteignent des niveaux records – 34 milliards de tonnes en 2011 –, les réserves d’énergie fossile s’amenuisent. Bientôt, les énergies vertes seront une nécessité.

30/10/2012
Serge Beaupré
Chimie, laboratoire des polymères électroactifs et photoactifs de l’Université Laval

Costa Kapsis, José Candanedo, Diane Bastien, génie du bâtiment
Costa Kapsis, José Candanedo, Diane Bastien © Philippe Jasmin


Ils vont dompter le soleil

Le logis du futur sera si "intelligent" qu'il produire autant d'énergie qu'il en consome.
Par Olivier Rey

Les chercheurs du laboratoire d’intégration de l’énergie solaire dans les bâtiments de l’Université Con­cor­dia ont bien de la chance. Ils travaillent au soleil toute l’année! Ce labo dispose d’un simulateur solaire qui permet de recréer toutes les conditions d’ensoleillement souhaitées. Le but? Tirer le meilleur parti de l’énergie solaire. Car ici, on invente la maison de demain. Une maison «intelligente», bellement conçue et qui produit autant d’énergie qu’elle en consomme!

Un défi de taille dans une province peu habituée à épargner sur l’énergie. «Au Québec, l’électricité reste abondante et bon marché; aujourd’hui encore, son coût reste très bas et cela n’incite pas aux efforts pour l’économiser», déplore Diane Bastien, doctorante en génie du bâtiment au sein du laboratoire. Ce labo fait partie du réseau de recherche sur les bâtiments intelligents à consommation énergétique nette zéro, un ensemble pancanadien d’universités, d’industries et d’organismes gouvernementaux, qui tentent de créer des constructions affichant un bilan énergétique nul.

Économiser l’énergie, ça commence par des mesures simples. Lors du tracé d’une nouvelle rue, par exemple, il suffit d’orienter les bâtiments vers le sud. Une fenestration optimale sur la maison, voire un solarium ou une serre attenante, permet ensuite d’épargner sur la facture de chauffage.

«Montréal est seulement au 45e paral­lèle, fait remarquer Diane Bastien. En hiver, elle bénéficie d’un ensoleillement de huit heures. Avec un solarium, on peut capter l’énergie solaire, même quand il fait -20 °C dehors. Cette chaleur peut servir ensuite à chauffer la maison.»
Doubles vitrages, volets extérieurs pour éviter la perte d’énergie la nuit et rideaux intérieurs laissant passer les rayons chauffants du soleil tout en évitant la déperdition de chaleur le jour font partie de la solution. Le tout est réglé par des dispositifs qui automatisent l’ouverture et la fermeture des volets ainsi que des rideaux, et qui propulsent la chaleur du solarium à l’intérieur. «Avec un tel système, la facture de chauffage peut être réduite de 30%, même dans une vieille maison mal isolée», affirme Diane Bastien.

Pour le moment, elle travaille sur son ordinateur à tester virtuellement son concept. Mais la jeune femme avoue avoir hâte de se soumettre à l’épreuve de la réalité. La réalité… ou presque, car elle n’aura pas besoin de se rendre au Nunavik ou en Abitibi pour cela. Elle pourra faire ses essais ici même dans le labo de Concordia, à Montréal où il peut faire aussi froid que chaud et où le soleil brille quand on veut.

«Notre simulateur solaire nous permet de mesurer l’effet d’une année de climat arctique ou désertique sur des panneaux photovoltaïques en seulement quelques semaines», explique Costa Kapsis, doctorant dans le même département, en enfilant ses lunettes de soleil. Le chercheur incline les huit lampes du simulateur et les règle une à une pour obtenir diffé­rents niveaux d’ensoleillement. Il suffit d’appuyer sur un bouton et des ventilateurs se mettent en marche pour simuler le vent, autre facteur qui fait varier l’efficacité des panneaux.

Dans la pièce d’à côté, un autre «soleil» éclaire des parements muraux en métal noir et creux, idéaux pour recueillir la chaleur dans le Grand Nord. Nous sommes dans une chambre climatique qui permet de tester des matériaux pour des climats extrêmes, de -40 °C à 50 °C. Car si une maison consomme de l’énergie, elle peut aussi en produire. Passivement, en recueillant la chaleur dans un solarium; ou de manière active, grâce à des panneaux solaires sur le toit qui servent à chauffer de l’eau ou à générer de l’électricité.


Serge Beaupré
Dans le laboratoire des polymères électroactifs et photoactifs de l’Université Laval, Serge Beaupré travaille à transformer la moindre vitre en petite centrale électrique. Sa spécialité, les plastiques photovoltaïques.

Ces nouveaux matériaux présentent de multiples avantages: souples, semi-transparents et fonctionnant quelle que soit l’orientation du soleil, ils peuvent être collés sur des fenêtres. Malheureusement, ils ont aussi, pour le moment, un gros défaut: leur rendement plafonne à environ 8% (c’est-à-dire qu’ils transforment 8% de l’énergie solaire reçue en électricité). C’est bien en deçà du rendement de 15% à 20% des habituels panneaux photovoltaïques au silicium, opaques et rigides. «Il suffirait de 2% de plus pour que ce soit rentable, explique Serge Beaupré. Plusieurs laboratoires dans le monde tentent comme nous d’atteindre ce rendement de 10%.» Rentable? Peut-être pas sur une maison individuelle, mais sur un bâtiment commercial – une tour de bureaux, par exemple – percé de nombreuses fenêtres toutes munies de panneaux photovoltaïques, certainement.
 
Des tissus branchés
Les plastiques photovoltaïques sont promis à un grand avenir, prédit le chimiste Serge Beaupré, de l’Université Laval. «Ils pourraient être couramment employés comme systèmes de recharge, dit-il. Nous avons sans cesse besoin de recharger des appareils électroniques de plus en plus nombreux. Les plastiques photovoltaïques, complètement déformables, peuvent très bien s’intégrer au tissu de sacs à dos, ou même dans des vêtements.» On pourra alors brancher son téléphone sur son blouson, ou son ordinateur sur un sac pour les recharger.


Restera ensuite à doter l’édifice producteur d’énergie d’un cerveau qui le rende vraiment intelligent! José Candanedo, chercheur en génie du bâtiment, y travaille. Son but: éviter les pics de consommation que redoute tant Hydro-Québec, ces moments où la demande en électricité est telle que le fournisseur a du mal à y répondre. «Cela arrive surtout en hiver; le matin, lorsque tout le monde se lève, on monte le chauffage et on va prendre sa douche», explique le chercheur.

© Serge BeaupréPour mieux anticiper ces pics, l’idée est d’utiliser toutes les informations dont on peut disposer. La météo annonce des nuages? Le système prévoit d’emmagasiner plus de chaleur dans des accumulateurs actifs, comme un sol de béton, un réservoir d’eau ou, à terme, dans des accumulateurs encore plus sophistiqués: des murs ou des sols de béton contenant un matériau à changement de phase – de la cire, par exemple. Lorsqu’elle reçoit de la chaleur, la cire passe de l’état solide à l’état liquide. Liquéfiée, elle reste chaude dans le béton, et cette chaleur emmagasinée se libère ensuite lentement, augmentant la capacité de chauffage du sol.

Mais le vrai défi se situe ailleurs. Les systèmes du chercheur se basent sur des algorithmes complexes qu’il faut parvenir à intégrer dans une interface très simple. «L’utilisateur ne doit avoir quasiment qu’un bouton à pousser pour régler la température», estime José Candanedo qui vient juste de terminer son doctorat à l’Université Concordia. Or, si un système de gestion de l’énergie est facile à programmer dans une maison vide, la donne change dès qu’une famille l’occupe. Comment faire des prévisions quand l’ado décide de se doucher le soir plutôt que le matin ou quand il faut faire une lessive d’urgence parce que le petit dernier s’est oublié dans le lit? Le système de gestion devra donc intégrer le caractère aléatoire des comportements humains.

Va pour la conception de la maison intelligente… Il reste maintenant à la remplir d’objets tout aussi futés qui respectent eux aussi l’environnement. «Aujourd’hui, déplore Martin Racine, spécialiste de l’éco-design, un objet peut être fabriqué à l’autre bout du monde avec des matériaux provenant du Québec, pour finir par revenir ici. C’est une aberration.»

Directeur de recherche de l’Université Concordia, il encourage ses étudiants à considérer le cycle de vie complet d’un objet lors de sa conception: sa fabrication, sa distribution, sa vie utile mais aussi – et peut-être surtout – son devenir, lorsqu’il est bon pour la poubelle.
Quant à la fabrication, Martin Racine préconise l’utilisation de matériaux locaux, produits selon des normes environnementales strictes, comme le bois de Valoritremble, un regroupement de producteurs de peupliers faux-tremble du Bas-Saint-Laurent, qui a reçu le label FSC pour sa gestion écologique des forêts.

Martin Racine
Martin Racine
Plus surprenant peut-être, l’aluminium peut aussi se révéler un matériau très écologique. «Ce métal est extrêmement coûteux en énergie à produire, dit le chercheur. Mais ensuite, il est recyclable à l’infini. Au Québec, nous en fabriquons énormément. Pourtant, nous sommes loin d’être les champions du design en aluminium.»

Autre gageure, éviter de jeter les meubles et autres objets à la décharge dès qu’une pièce fonctionne mal, ce qui est encore le cas pour beaucoup d’entre eux. Pour y remédier, Martin Racine a mis sur pied le projet Préco qui tire profit des applications du prototypage rapide, une technique d’«impression» de pièces en trois dimensions avec des matériaux composites. Son équipe a ainsi modifié le design de sept objets courants (du téléphone au bracelet de montre, en passant par le robot culinaire et le baladeur), pour les rendre «réparables» à l’aide du prototypage. Il ne reste qu’à faire accepter le concept par les fabricants. En cas de défectuosité, il suffirait ensuite d’apporter la pièce endommagée dans un point de service pour en faire imprimer une de rechange.

Prolonger la durée de vie des objets et lutter contre la consommation de masse, c’est aussi l’objectif de Metacycle, le second projet de Martin Racine, qu’il mène en collaboration avec l’Université de Montréal. Le principe, faire appel à une communauté virtuelle de créateurs, de blogueurs ou de particuliers ingénieux pour mettre sur pied des solutions innovantes de recyclage ou de valorisation d’objets usagés (téléphones portables, brosses à dents, cassettes VHS, etc.). Et les idées fusent!

Si les concepts ingénieux explosent sur la toile, la balle est maintenant dans le camp des industriels. «Il est temps que l’industrie offre des services et non plus des produits», estime le designer. Un producteur d’ordinateurs, par exemple, devrait, selon lui, louer ses produits plutôt que les vendre. Quand une nouvelle version plus puissante, plus belle ou plus à la mode deviendrait disponible, le fabricant repren­drait la version désuète pour la recycler en échange d’un nouvel appareil.

Une belle idée, non? Reste à espérer que notre société devienne aussi intelligente que les maisons qu’elle concevra.


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