La conférence annuelle 2016 de TAMEST tournée vers les matériaux du 21ème siècle (Suite)

, Partager

Lire la première partie : La conférence annuelle 2016 de TAMEST tournée vers les matériaux du 21ème siècle

Les trois piliers industriels identifiés du Texas sont : l’énergie, l’espace et la médecine. Il n’est donc pas étonnant que lors de la conférence annuelle de 2016 de l’Académie de médecine d’ingénierie et des sciences du Texas (The Academy of medicine, engineering and science of Texas ou TAMEST), qui s’est tenue du 20 au 22 janvier 2016 à Dallas, ces domaines scientifiques aient été mis à l’honneur. Plus précisément, TAMEST 2016 s’est intéressé aux « matériaux pour le 21ième siècle : défis et opportunités » (Materials for the 21st Century : Challenges and Opportunities) dans ces trois secteurs. Cet article se concentre sur le secteur de l’énergie.

Les matériaux pour les énergies

Le contexte énergétique d’ici 2040…

ExxonMobil Upstream Research Company, représenté par Douglas Fairchild, consultant dans le domaine de la métallurgie et des soudures, a fourni le cadre général de la demande énergétique et de l’industrie pétrolière d’ici 2040. Il est généralement admis qu’entre aujourd’hui et 2040 la population mondiale devrait passer d’environ 7 milliards à 9 milliards d’habitants et 2,8 milliards de ces nouveaux habitants feront partie de la classe moyenne. La consommation d’énergie devrait alors grimper de 35%, la majorité (70%) concentrée sur des pays en développement, la Chine et l’Inde comptant pour moitié de ce volume. Les besoins en énergie seront en partie comblés par des gains en efficacité énergétique ; par exemple la vente de voitures hybrides devrait passer de 1% des ventes de nouvelles voitures en 2010 à environ 50% en 2040. Par ailleurs, même si les ressources énergétiques changeront, – e.g. la capacité de production d’énergie solaire devrait être multipliée par 20 – il est prévu que l’industrie pétrolière réponde toujours à la majorité des besoins énergétiques mondiaux en 2040.

Les matériaux dans tout ça ?

Matériaux pour l’industrie fossile

Pour satisfaire à la demande, l’industrie pétrolière fore des puits de plusieurs kilomètres sous la surface de la terre et parfois de plusieurs centaines de mètres dans les profondeurs océaniques, ce qui nécessite de larges infrastructures dont certaines de plus de 200.000 tonnes en offshore sont soumises à des environnements agités (vent, vagues, courants). De telles installations constituent des prouesses d’ingénierie rendues possibles grâce à l’utilisation de matériaux de pointe capables de résister à la corrosion, à l’érosion, aux températures extrêmes et aux fortes contraintes en pression.

M. Fairchild a insisté sur l’importance de la qualité des aciers de structure. Pour lui, il est primordial de continuer à mener des recherches dans ce domaine qui est en perte de vitesse car il n’attire plus autant qu’autrefois (chercheurs, étudiants etc.). Les aciers structuraux représentent entre 5 et 10 milliards de dollars de dépenses chez Exxon chaque année et seront toujours le matériau de structure essentiel pour l’industrie du pétrole et du gaz (“Oil & Gas”) en 2040. ExxonMobile travaille ainsi à améliorer la qualité de ses aciers, notamment par le biais des nanotechnologies. L’objectif de ces recherches est la manipulation de la microstructure des aciers à l’échelle nanométrique grâce à des techniques de traitement innovantes et l’adoption de nouvelles stratégies d’alliage pour former un acier dit nanostructuré. Ces recherches sont facilitées par l’emploi de méthodes de caractérisation de pointe comme la microscopie électronique à transmission haute résolution (HRTEM), la sonde atomique tomographique (APT), etc., et la conception par ordinateur de matériaux. Exxon Mobil Upstream Research a ainsi développé un acier à haute résistance pour les pipelines servant au transport de gaz naturel. Cette recherche faite en collaboration avec Nippon Steel and Mitsui & Co permet d’obtenir des pipelines 20 à 50% plus résistants que ceux couramment utilisés. Une section de 1,6 kilomètres de long du « TransCanada Pipeline » utilise déjà cet acier nanostructuré dans des conditions de température pouvant atteindre -40°C. [1]

D’un autre côté, le prix du baril de pétrole actuel (dans les 30 USD vs. 55 USD il y a 1 an et 100 USD il y a 5 ans) pousse les groupes pétroliers à réduire drastiquement leurs dépenses pour préserver leurs marges. Ainsi, les pétroliers forent moins de puits, le forage étant la partie demandant le plus fort investissement. Par exemple, au Texas, la Commission chargée de délivrer les permis de forage (Railroad Commission of Texas) a délivré 50% de permis en moins entre janvier 2015 et janvier 2016 (respectivement 1102 et 510 permis) [2]. Au cours de cette période la production est toutefois restée stable, les groupes pétroliers s’étant concentrés sur l’amélioration du rendement des puits déjà existants.

L’une des voies possible pour augmenter le rendement est l’utilisation de nouveaux matériaux et nanotechnologies. Les exemples les plus marquants sont l’utilisation des nanotechnologies en tant que capteurs ou en tant qu’ajouts aux fluides d’exploitation des puits [3] [4]. En effet, une étude menée en Iran montrait en février 2015 que la quantité de pétrole extraite pouvait augmenter de 11% lorsqu’on ajoutait un certain type de nanoparticules à la solution d’agents tensioactifs injectée dans les roches poreuses des réservoirs de pétrole lors de certains processus de récupération tertiaire [5]. D’autres nanoparticules sont injectées dans les puits de pétrole et de gaz en tant que nanocapteurs souterrains. Ils y recueillent des caractéristiques physiques du réservoir, qui peuvent ensuite être utilisées pour guider les opérateurs lors des actions de forage et de récupération et ainsi optimiser la production [6].

Il est fort à prévoir que les nanotechnologies se feront de plus en plus présentes dans l’industrie pétrolière [7] [8] [9]. En effet, une récente étude franco-américaine sur la porosité et structure du kérogène, matériau de base d’où vient le pétrole, a montré l’importance de l’échelle nanométrique dans les couches géologiques contenant le pétrole et le gaz naturel notamment pour des couches de schiste [10].

Matériaux pour les énergies décarbonées

Même s’il est vrai que la production d’énergie au Texas est dominée par le pétrole et le gaz, l’Etat n’en reste pas moins une pointure et un précurseur en matière d’énergie décarbonée et particulièrement en matière d’énergie renouvelable, il n’est donc pas étonnant que ce domaine des énergies ait été abordé lors de la réunion annuelle de TAMEST 2016.
L’intérêt du Texas pour les énergies renouvelables remonte à 1999, époque où le Texas – deuxième Etat américain après l’Iowa à agir de la sorte – a promulgué une loi de type « Renewable Portfolio Standard » (RPS), s’obligeant ainsi à intégrer une partie d’énergie renouvelable dans son réseau électrique. Le RPS du Texas prévoyait d’installer 2.000 MW de nouvelle capacité d’énergie renouvelable d’ici à 2009. En 2005, la législature du Texas a élargi le programme pour accueillir 5.880 MW en 2015 et a inclus un objectif de 10.000 MW d’ici 2025. Le Texas a atteint ce jalon des 10.000 MW au début de l’année 2010, soit avec 15 ans en avance.

Cette performance est largement liée à l’industrie éolienne qui en 2015 représentait environ 11% de la production énergétique du Texas (cf. figure ci-dessus). Qui plus est, le Texas est le leader en capacité de production d’énergie éolienne aux Etats-Unis [11] et ne cesse de battre des records de production dans ce secteur [12] [13]. Mais le solaire et la biomasse ne sont pas en reste. En effet, le solaire au Texas a pris de l’ampleur ces dernières années sous l’impulsion de crédit d’impôts et son potentiel de croissance est énorme ; le Texas est l’Etat ayant le plus fort potentiel en énergie solaire. En outre, le Texas possède la plus grande usine de production de biodiesel du pays. L’ensemble de ces industries du renouvelable représente plus de 100.000 emplois directs, classant l’Etat du Texas second, après la Californie, dans le classement par Etats en nombre d’emplois directement liés au secteur du renouvelable aux Etats-Unis [14].

C’est dans ce contexte que le Dr. Emily A. Carter, Directrice du Centre Andlinger pour l’énergie et l’environnement à l’Université de Princeton (Andlinger Center for Energy and Environment at Princeton University), élue à l’Académie nationale d’ingénierie en 2016, a été invitée à présenter les recherches de son Centre à TAMEST 2016. Le Dr. Carter a commencé son intervention en rappelant qu’à l’heure actuelle aucune énergie, notamment celle provenant du renouvelable, ne pouvait répondre à la demande en énergie aux Etats-Unis et qu’ainsi un mix énergétique était nécessaire. Toutefois, le mix énergétique actuel n’est pas immuable et devra évoluer en fonction de l’implémentation dans chacune des branches de l’industrie de l’énergie décarbonnée, des évolutions technologiques mais également de l’évolution des technologies de stockage de l’énergie. Le Dr. Carter a rappelé l’importance des matériaux terres rares pour le renouvelable, des éléments clés dans les énergies photovoltaïque et éolienne. A ce sujet, une récente étude d’un groupe de chercheurs de l’Université de Pennsylvanie permet d’espérer une plus grande indépendance des Etats-Unis face à l’importation des terres rares, grâce à un moyen rentable et écologique d’extraction de ces éléments à partir du charbon [15].

Le Dr. Carter a particulièrement insisté sur la fusion thermonucléaire, une technologie qui s’inscrit dans le long terme, et dont le plus célèbre réacteur est en cours de construction à Cadarache, France, dans le cadre du programme international ITER. Le principe de la fusion thermonucléaire est de recréer dans une enceinte confinée les réactions hautes températures qui se déroulent au sein du soleil. Des matériaux supraconducteurs sont utilisés pour générer les champs magnétiques qui vont servir à confiner le plasma chauffé à 100 millions de degrés Kelvin. Une augmentation de la force du champ magnétique permettrait d’améliorer les performances du réacteur, or les supraconducteurs basse température conventionnels subissent une chute importante dans leur capacité à transporter le courant lors qu’ils fonctionnent dans des champs magnétiques élevés. Cependant, l’émergence de matériaux supraconducteurs haute température pouvant fonctionner à des champs magnétiques élevés et à moindre cout ouvre de nouvelles perspectives pour cette technologie [16]. Un exemple de l’évolution technologique se retrouve dans une récente étude réalisée à l’Université Cornell dans laquelle les chercheurs ont réussi à élaborer des supraconducteurs haute température par autoassemblage [17].

D’autre part, les conditions qui règnent au sein des réacteurs à fusion nucléaire représentent un défi pour les matériaux qui constituent l’enceinte, c’est à dire les parois de protection. Bien que les températures au niveau de la paroi du réacteur soient nettement inférieures à celles du centre du plasma, elles peuvent encore varier entre 3.000 à 10.000 K. Il est donc nécessaire d’utiliser et de développer des matériaux à haute conductivité thermique capables de supporter des hausses brutales de températures. La "couverture" qui recouvre la paroi intérieure du réacteur se détériore du fait de son interaction avec le plasma mais aussi du fait du bombardement neutronique engendré par les réactions thermonucléaires au sein du plasma. D’après le Dr. Carter, l’utilisation de « murs » de métal liquide en plus de l’enceinte de tungstène pourrait être une partie de la solution [18]. En effet, le métal liquide (vraisemblablement du lithium liquide) protègerait les autres matériaux de la paroi intérieure de l’interaction avec le plasma, et donc l’unique source de dégradation resterait les neutrons. Les dommages causés à la paroi par le plasma et par les neutrons seraient donc décorrélés grâce au mur de lithium liquide, ce qui simplifierait le problème.


Rédacteurs :

- Robin Faideau, Attaché adjoint pour la Science et la Technologie, Houston, robin.faideau@ambascience-usa.org
- Christian Turquat, Attaché pour la Science et la Technologie, Houston, christian.turquat@ambascience-usa.org