Stockage d’énergie verte : l’intelligence quantique met la main sur la molécule idéale

La recherche de nouveaux matériaux pour le stockage de l’énergie solaire est au cœur des préoccupations des scientifiques. Une équipe de chercheurs vient de mettre au point une méthode prometteuse basée sur l’intelligence quantique pour identifier des structures moléculaires optimisées.

Une méthode innovante pour trouver la molécule idéale

Actuellement, l’énergie solaire est soit directement transformée en électricité, soit stockée sous forme de chaleur. Une troisième voie consisterait à d’abord stocker l’énergie du soleil dans des matériaux photosensibles pour ensuite la libérer en fonction des besoins. C’est l’objectif du projet européen MOST qui étudie des molécules comme les photoswitchs capables d’absorber et de stocker l’énergie solaire à température ambiante.

Les équipes de recherche de Kurt V. Mikkelsen de l’Université de Copenhague et de Kasper Moth-Poulsen de l’Université polytechnique de Catalogne à Barcelone se sont penchées sur les photoswitchs les plus adaptés. Ils ont étudié des molécules appelées diènes bicycliques, qui passent à un état de haute énergie lorsqu’elles sont illuminées.

L’exemple le plus connu de ce système est le norbornadiène quadricyclane, mais il existe un nombre considérable de candidats similaires. Les chercheurs expliquent : « L’espace chimique résultant se compose d’environ 466 000 diènes bicycliques que nous avons analysés pour leur applicabilité potentielle dans la technologie MOST. »

L’analyse d’une base de données de cette taille se fait généralement par apprentissage automatique, mais cela nécessite de grandes quantités de données d’entraînement basées sur des expériences réelles, ce que l’équipe ne possédait pas. En utilisant un algorithme développé précédemment et un nouveau score d’évaluation, les molécules de la base de données ont pu être analysées et évaluées.

Six des molécules les mieux notées différaient de la structure d’origine du norbornadiène quadricyclane sur un point crucial : l’élargissement du pont moléculaire entre les deux cycles carbonés dans la partie bicyclique. Cette modification structurale permettait aux nouvelles molécules de stocker plus d’énergie que l’original.

Un potentiel prometteur pour l’optimisation du stockage solaire

Les travaux des chercheurs démontrent le potentiel d’optimisation des molécules de stockage de l’énergie solaire. Cependant, les nouvelles molécules doivent d’abord être synthétisées et testées dans des conditions réelles. « Même si les systèmes peuvent être préparés synthétiquement, rien ne garantit qu’ils sont solubles dans les solvants pertinents et qu’ils vont réellement commuter avec un rendement élevé ou pas du tout, comme nous l’avons supposé dans le score eta », précisent les auteurs.

Malgré cela, l’équipe a développé un nouvel ensemble de données d’entraînement conséquent pour les algorithmes d’apprentissage automatique, raccourcissant ainsi la fastidieuse étape de recherche préalable à la synthèse pour les chimistes qui s’attaqueront à de tels systèmes à l’avenir.

Les auteurs envisagent la création de ce référentiel beaucoup plus vaste de diènes bicycliques qui fera ses preuves pour la recherche sur les photoswitchs dans diverses applications, facilitant potentiellement l’adaptation des molécules à des exigences spécifiques.

Focus sur le MOST

Le système de stockage d’énergie solaire MOST (Molecular Solar Thermal energy storage systems) repose sur une molécule spéciale qui change de forme quand elle est exposée aux rayons du soleil.

Sous l’effet de la lumière, cette molécule se transforme en une nouvelle molécule, appelée isomère. Un isomère est une molécule qui a exactement les mêmes atomes mais qui sont assemblés différemment. Cette nouvelle molécule isomère est très riche en énergie.

L’intérêt est que cette molécule isomère peut conserver toute son énergie pendant très longtemps sans rien perdre. On obtient donc un excellent réservoir qui stocke l’énergie solaire durant plusieurs décennies.

Quand on veut récupérer l’énergie stockée, on utilise un catalyseur. Celui-ci provoque une nouvelle transformation de la molécule isomère, qui redevient la molécule d’origine. Mais ce changement libère toute l’énergie accumulée sous forme de chaleur.

On peut donc utiliser ce système en cycle : la molécule capte l’énergie solaire et se transforme en isomère pour la stocker. Puis, grâce au catalyseur, elle restitue cette énergie stockée en chaleur et retrouve sa forme initiale, prête pour un nouveau cycle.

Associé à d’autres technologies de stockage thermique, le système MOST permet de gérer les variations du rayonnement solaire et les besoins en énergie thermique pour différentes applications comme la production d’électricité.

En synthèse

Cette étude novatrice démontre le potentiel de l’intelligence quantique pour identifier des structures moléculaires optimisées pour le stockage de l’énergie solaire. Bien que des validations expérimentales soient encore nécessaires, elle ouvre la voie à des progrès significatifs dans ce domaine clé pour les énergies renouvelables.

Pour une meilleure compréhension

Quelle est la problématique de cette recherche ?

Il s’agit de trouver de nouvelles molécules capables d’absorber et de stocker efficacement l’énergie solaire pour ensuite la restituer en fonction des besoins.

En quoi consiste la méthode utilisée ?

Les chercheurs ont analysé une base de données de plus de 400 000 molécules grâce à un algorithme d’intelligence quantique pour identifier les structures les plus prometteuses.

Quels sont les résultats obtenus ?

Six molécules au fort potentiel de stockage de l’énergie solaire ont été identifiées. Elles doivent maintenant être synthétisées et testées expérimentalement.

Quelles sont les perspectives pour l’avenir ?

Cette méthode ouvre la voie à l’optimisation de molécules pour le stockage solaire et d’autres applications grâce à l’intelligence quantique.

Quelles sont les limites de cette étude ?

Les nouvelles molécules doivent encore faire l’objet de validations expérimentales approfondies avant de pouvoir être utilisées concrètement.

Comment cette recherche contribue-t-elle au stockage des énergies renouvelables ?

Elle permet d’accélérer la découverte de matériaux de stockage solaire optimisés, essentiels pour exploiter pleinement le potentiel des énergies renouvelables.

Quel est l’intérêt de l’intelligence quantique dans ce contexte ?

Elle offre une capacité inégalée pour analyser rapidement un très grand nombre de candidats moléculaires potentiels.

Légende illustration principale : – Crédit

Article « Searching the Chemical Space of Bicyclic Dienes for Molecular Solar Thermal Energy Storage Candidates » – DOI: 10.1002/anie.202309543 

A propos de Kurt V. Mikkelsen : professeur au département de chimie de l’université de Copenhague, au Danemark. En utilisant des méthodes de calcul scientifique, le groupe Mikkelsen étudie la dynamique et la thermodynamique des réactions liées à l’exploitation de l’énergie solaire, les propriétés moléculaires linéaires et non linéaires, ainsi que les propriétés de diffusion des amas moléculaires atmosphériques.