De nouvelles cellules photovoltaïques sont apparues sur le marché, dans lesquelles le silicium était remplacé par de la pérovskite et les journalistes ont tout de suite crié au miracle. Un article de la revue de janvier 2024 « Pour la Science », fait le point de cette question et le tableau n’est pas aussi idyllique que l’on pensait.
  
            Qu’est ce que la pérovskite ? Initialement c’est originellement un minéral : du titanate de calcium de formule CaTiO₃. On appelle plus généralement pérovskites les minéraux de même structure, dont un silicate (Mg,Fe)SiO₃ considéré comme le minéral le plus abondant du manteau terrestre
           Mais les pérovskites employées en photovoltaïque sont différents, ce sont des produits synthétiques composés d’un cation orgenique CH₃NH₃⁺ ou CH(NH₂)₂⁺, d’un cation métallique, étain ou plomb et d’un anion halogénure (iodure, bromure, chlorure).
 
          L’engouement pour les pérovskites est venu du fait que les premiers essais les toutes petites structures, leur rendement était presque aussi important que celui des cellules au silicium qui couvrent aujourd’hui plus de 95% du marché, alors que leur coût de fabrication semblait devoir être beaucoup moins chers. Mais les cellules en étude ont présenté des inconvénients importants qu’il a fallu supprimer : stabilité, résistance à l'eau, à la température et aux UV solaires. Divers produits dopants ont été utilisés.
           Mais, pour la fabrication commerciale, la stabilité est le principal problème à résoudre.
           D’autre part, les meilleures cellules à pérovskite fabriquées en laboratoire sont généalement plus petites qu’un timbre poste et leurs performances se dégradent après seulement quelques jours ou quelques semaines. Les aspects pratiques de la fabrication de grandes cellules photovoltaÏques et de leur intégration dans des panneaux solaires réduisent encore l’efficacité des pérovskites seules.
          Par comparaison, les cellules photovoltaïques au silicium aujourd’hui commercialisées sont en général plus grandes qu’une feuille A5 et sont assemblées en modules de deux mètres de long, ont un rendement d’environ 22 а 24 %. Elles sont garanties pour conserver au moins 80 % de leur rendement initial après vingt-cinq ans, soit une perte d’efficacité de moins d’ 1 % par an.

           Les études sont principalement menées par la société Oxford PV, mais celle-ci cherche une voie alternative, en améliorant les cellules au silicium en y ajoutant des couches de pérovskite, pour créer des cellules photovoltaÏques dites « tandem ».

            Les pérovskites absorbent l’énergie de la lumière solaire dans des longueurs d’onde différentes du silicium,  et les cellules tandem ont le potentiel de produire au moins 20 % d’énergie en plus qu’une cellule en silicium seul, voire davantage.
          Ce gain d’efficacité ferait plus que compenser le surcoût de fabrication des cellules tandem.

          La société coréenne Hanwha Qcells, un fabricant majeur de cellules photovoltaïques au silicium, a prévu d’investir 100 millions de dollars dans une ligne de production pilote de cellules pérovskite-silicium, susceptible d’être opérationnelle d’ici la fin de 2024.
           Mais il s’agit d’une petite usibe, comparée aux vastes usines de panneaux solaires au silicium chinoises, qui produisent l’équivalent de plusieurs gigawatts (GW) de cellules solaires chaque année.

         Les panneaux de silicium ont donc un bel avenir devant eux. D’abord en ce qui concerne le besoin (voir graphique ci-dessous).

         Le coût de l’énergie solaire a par ailleurs énormément diminué, comme le montrent les deux graphiques ci-dessous.

  On  me demande parfois si les lampes led sont dangereuses pour la santé.

    Si l’on entend par santé notre état général, il n’y a pas de risque car aucun rayonnement X n’est émis, et contrairement aux tubes fluorescent il n’y a pas de mercure qui peut s’échapper si on brise l’enveloppe. 5Cela dit, pour les tubes fluorescent la quantité est très faible et il n’y a pas de danger si on casse un tube.

    Le problème est de savoir si leur lumière est sans conséquence pour nos yeux.
On ne trouve pas beaucoup d’études dans ce domaine, car l’apparition des led dans l’éclairage des maisons est récente, mais Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail (Anses) a publié récemment un rapport d'expertise sur les effets sanitaires des systèmes d'éclairage utilisant des LED,
    Par ailleurs on ne dispose pas d’un recul suffisant pour avoir une opinion définitive. Il peut falloir des années pour qu’un dommage de la rétine apparaisse.


    La plupart des leds émettent une lumière très blanche, voire légèrement bleue, donc relativement énergique.
Une exposition importante à cette lumière pourrait entrainer un vieillissement prématuré de la rétine, favorisant l’apparition d’une dégénérescence maculaire (DMLA) ou son aggravation. Cette maladie dégrade progressivement la vision cen- trale, aboutissant à une vue dégradée devant soi.



    Le risque est plus important pour les enfants au dessous de 10 ans, dont le cristallin n’absorbe pas les rayonnements de couleur bleue. C’est également le cas des personnes qui n’ont pas de cristallin, ou de celles qui ont été opérées de la cataracte et qui portent un cristallin artificiel.
    Tout dépend de l’intensité de la lumière et de sa couleur, et de la durée d’exposition. Certaines profession exigent un éclairage important et demandent une lumière blanche intense (par exemple un bloc chirurgical).
    Dans les LED bleues ou les LED à lumière blanche froide, c’est une diode bleue qui produit la lumière, dont le bleu est «transformé» par un produit phosphorescent pour obtenir du blanc. Ces deux types de diodes émettent donc une proportion de lumière bleue supérieure à celle de la lumière naturelle.        

    Il semble donc préférable d’éviter l’emploi des LED blanches et im est préférable  de privilégier celles qui produisent une lumière chaude et de s’éloigner le plus possible de ces sources lumineuses, ou du moins de limiter les temps d’exposition des yeux (ne pas les employer comme lampe de chevet ou comme veilleuse, surtout pour les enfants).
    Surtout il ne faut pas utiliser des lampes trop puissantes.

    Enfin il faut savoir que, par construction la led est beaucoup plus lumineuse en son centre. Il faut donc éviter de fixer l’ampoule avec les yeux et il vaut mieux éviter les spots et utiliser des diffuseurs comme des abats-jours.

    Donc pas de panique, ne jetez pas vos leds à la poubelle;  les lampes que l’on trouve dans le commerce ne sont pas dangereuses si on respecte quelques précautions et qu’on n’utilise pas des lampes surpuissantes.

     On me demande ce qu'est une plaque "oled". (les téléviseurs LG, Sony, Samsung)

    Comme dans l’ampoule led, la partie éclairante est un semi conducteur, qui ne laisse passer le courant que dans un sens, et provoque une excitation des électrons, qui vont revenir à leur état normal et se recombiner à des sites où un électron est absent.en émettant de la lumière. (OLED veut dire Organic Light-Emitting Diode)

    La différence est que la partie émissive du led est ponctuelle, alors que dans l’oled, c’est une plaque émettrice ayant une surface importante.
    A l’extérieur une enveloppe étanche en verre (voir schéma).
    Une cathode métallique et une anode transparentes, toutes deux connectées à un générateur électrique.
    Sous l’effet de la tension, les électrons (négatifs) vont vers la cathode vers l’anode et des « absences d’électrons » dans le semi conducteur (on les appelle des « trous » et c’est l’équivalent de charges positives ) sont attirés vers la cathode.
    Le semi conducteur est un empilement de couches de différents polymères.
    Au milieu du semi-conducteur une zone de recombinaison des électrons et des trous, qui s’accompagne d’une émission de lumière due au retour à un niveau normal d’énergie des électrons recombinés.
    Ces plaques émettrices peuvent donc constituer une lampe dont l’ampoule est une surface, une plaque ayant une forme donnée. Les semi-conducteurs plastiques étant souples, il est possible de leur donner une forme autre que plane.
    Suivant les matériaux utilisés, on peut obtenir des lumières de couleurs différentes.

    Mais les oled ont un autre avantage : ils peuvent remplacer avantageusement les afficheurs à cristaux liquides lorsqu’ils sont sous forme de plaque, c’est à dire sur les téléphones portables, les ordinateurs et les télévisions. On n’a alors pas besoin de rétroéclairage, ce qui améliore la visibilité et la précision, un rafraichissement des informations plus rapide et permet des plaques d’épaisseur moindre. La lumière diffusée est moins directive et on voit donc mieux l’écran si on n’est pas en face.
    On dépose les couches de semi-conducteur « par points », sur l’écran, comme le fait une imprimante à jet d’encre sur le papier? Chaque point se comporte alors comme une led, commandée par les balayages de tension, différents en chaque point, selon l’image projetée. On utilise des leds R, V ou B exactement comme les encres d’une imprimante et les proportions à un instant donné des diodes allumées, définissent une couleur donnée.
    La difficulté actuelle est que la couleur produite varie dans le temps avec l’usure de la plaque. La durée de vie était à l'origine  de 14 000 heures dans les bleus, insuffisante et la diffusion de ces écrans a été lente. Mais aujourd'hui ce système concurrence les écrans LCD et plasma des téléviseurs, qui sont en voie de disparaître, et les écrans oled ont une une durée de vie d’au moins 50 000 heures.

    On peut faire scintiller des leds à des cadences de plusieurs milliers d’impulsion par seconde, ce qui est alors invisible pour l’oeil humain, qui est insensible au dessus de 50 hz. Une telle transmission qui peut coder des 1 et 0, pourrait être utilisée pour transporter de l’information numérique, et remplacer à terme, la Wifi, avec un débit dix fois supérieur (et sans présence d’ondes radios).

Extraction en Australie de minerai de lithium

           Le numéro d’octobre 2023 de la revue « Sciences et Avenir a consacré un numéro très intéressant sur l’économie du lithium et les efforts de l’Europe pour prendre une part non négligeable du marché. Je vais essayer de vous le résumer.

          Le lithium est actuellement utilisé dans 63 % des batteries, petites batteries notamment d’ordinateurs et de smartphones, mais surtout batteries de véhicules pesant plusieurs centaines de kilogrammes. Il est très intéressant par rapport au plomb ou au cadmium e-t un Nickel, du fait de son faible poids (densité 0,54, la moitié de celle de l’eau)

          La production du lithium et celle de ses batteries est actuellement concentré dans quelques pays, caractéristique tout à fait exceptionnelle.
         Les minerai de lithium sont pour 58% concentrés en Australie, Bolivie et Chili.
         Mais surtout, en 2020, 60% du raffinage des ces minerais est effectuée par la Chine, qui, par ailleurs, produit 77 % des cellules de batteries au lithium et 60 % des accessoires de batteries. Il en résulte un prix très élevé du lithium : 60 000 € la tonne en 2023.
        De plus le bilan carbone de la production de lithium en Chine est catastrophique, car  elle utilise de l’électricité produite à partir de charbon : pour chaque tonne de lithium produit, 170 m³ d’eau consommée et  150 tonnes de CO2 produites, soit au total, chaque année, un milliard de tonnes de CO2, autant que la production réunie de la France, du Royaume Uni et de l’Italie !
         La production chinoise est principalement faite à partir de minerai australien, qui est une roche dure, le spodomène qui est à l’origine de 60 %M de la production de lithium.

          Les 40 % autres, en Amérique latine, sont issus de marais salants où l’eau a,pendants des milliers d’années, arraché le métal de la roche. Certains marais au Chili peuvent atteindre une concentration de 1,2 g lithium par litre de saumure. Le procédé d’extraction utilise de l’aluminium et le lithium est ensuite séparé par des procédés d’osmose inverse à température normale : Ce procédé, dénommé DLE, mis au point par un métallurgiste français Eranet, rejette 3 fois moins de CO2, mais utilise 3 fois plus d’eau.

         Devant ces monopoles, l’Europe a réagi et s’est donné un objectif impressionnant.
         Elle a d’abord recensé ses ressources naturelles, qui sont de l’ordre de 52 millions de tonnes d’oxyde de lithium, permettant de produire 24 millions de tonnes de métal.
        La France possède quelques ressources de roches à une teneur exploitable en oxyde de lithium, dont le site de Beauval avec 320 000 tonnes dans une ancienne mine de kaolin, qui pourrait produire 34 000 tonnes par an, à partir de 2028, de quoi équiper 700 000 voitures. (voir carte ci-contre)

          Une ressource très intéressante : le bassin rhénan entre Mulhouse et Mannheim, qui possède des poches de saumure à 3000 à 4000 m de profondeur. Cette saumure chaude peut être utilisée pour produire de l’énergie  de telle sorte que l’extraction du lithium soit neutre en bilan carbone.
          Le groupe (Peugeot-Citoën-Opel-Fiat-Chrysler) associé à une petite startup allemande, Vulcan Energy, qui fait du traitement du lithium, et Eranet, associé à Electricité de Strasbourg, exploiteront deux sites différents.
          Le procédé utilisé sera le DLE que Eranet teste actuellement dans une usine à Centenario en Argentine, qui ouvrira en 2024.

           Par ailleurs l’Europe va construire de très grandes usines de production de batteries, dont la première a été inaugurée le 30 mai 2023, dans le Pas de Calais. 

     Hier nous avons rappelé quelques propriétés de l’électromagnétisme et nous avons vu la différence entre un moteur synchrone et asynchrone.
    Mais mon lecteur souhaitait pouvoir comprendre et vérifier les dires d’un syndic suite à une consultation concernant la rénovation de l’ascenseurs de son immeuble, et comme j’ai dû, il y a quelques années, faire une telle consultation pour la copropriété où j’habite, je vais pouvoir lui donner les élément essentiels.

Motorisation asynchrone à deux vitesses :

    Si la copropriété fait rénover son ascenseur, c’est qu’il avait un certain âge.
    Les anciens ascenseurs utilisaient des moteurs asynchrones, car des moteurs synchrone n’auraient pu démarrez en charge.
    L’axe du moteur est accouplé à une vis sans fin, laquelle fait tourner un engrenage lié à une grande roue sur laquelle passent des câbles. Ces câbles sont liés d’un coté à la cabine de l’ascenseur et de l’autre à un contrepoids, qui équilibre son poids et limite donc la surcharge des passagers. (voir photo ci dessous que j’ai annotée).


    Les câbles sont entraînés par frottement sur la roue , qui est de  grand diamètre car les câbles d’aciers, de gros diamètre (environ 1cm) et très solides ne peuvent se courber au delà d’une certaine limite.
    Le moteur comporte deux enroulements qui correspondent à deux vitesses de l’ascenseur, par exemple 1m/s et 0,3 m/s. Lorsque l’ascenseur, qui se déplace à 1m/s arrive à deux mètres de l’étage où il doit s’arrêter, un contact fait fonctionner le moteur en vitesse réduite, puis un second contact provoque l’arrêt. Avec un bon réglage on arrive ainsi à arrêter la machine à. ± 1cm près.
    Mais de tels moteurs sont bruyants et consommateurs d’électricité.

La modulation de fréquence et un moteur synchrone :

    Un progrès a été fait en alimentant le moteur, non plus avec le courant du secteur à 50 Hz, mais avec un variateur de fréquence qui peut alimenter le moteur avec un courant de fréquence variable allant de zéro à 120 Hz.
    Au démarrage et à l’arrivée, la fréquence va varier progressivement et les manoeuvres seront donc douces et peu bruyantes.
    Il est possible d’utiliser un moteur synchrone, qui ne démarrait pas en charge avec une fréquence fixe de 50 hz, peuvent maintenant démarrer avec la fréquence faible de départ. Ils tournent alors à une vitesse proportionnelle à la fréquence d’alimentation et on peut donc faire varier très progressivement la vitesse de l’appareil, d’où douceur, confort, silence relatif et un arrêt à quelques mm près.
    Par contre ce confort et ce silence sont moindres avec un moteur asynchrone, qui a un glissement fonction de la charge, ce qui oblige l’électronique à corriger la vitesse en permanence.
    Ces moteurs synchrones associés à un variateur de fréquence, ont un meilleur rendement et consomment moins d’électricité.
    La photo ci contre montre une telle motorisation moderne à treuil et moteur synchrone
    Les motorisations à treuils modernes sont donc équipées de moteurs synchrones dont la vitesse est variable grâce à une alimentation à fréquence variable, commandée par une armoire électronique.
    Les constructeurs étranger appellent ces machines à treuil « geared «  ce qui veut dire « moteur à réduction » en anglais.

Les motorisation « gearless » :

    Dans les immeubles récemment construits, les architectes essaient de réduire toutes les surfaces, et notamment ne veulent plus construire de locaux de machinerie d’ascenseurs sur le toit. Les machines à treuil sont volumineuses et les ascensoristes ont essayé de réduire les dimensions des motorisations.
    Une nouvelle génération de moteurs synchrones, directement liée à la roue de traction, sans aucun engrenage ni vis sans fin a vu le jour et s’appelle « gearless » : « sans réducteur ».
    Mais la roue destinée à tirer les câbles est trop volumineuse et l’effort de traction est trop important. Ces machines utilisent donc à la place des câbles, des courroies plates en plastique avec une âme en fils d’aciers torsadés. Lors des opérations d’entretien on peut envoyer un courant électrique dans ces fils pour contrôler leur bon état.
    La photo ci dessous montre un appareillage gearless.
    Les motorisations gerless, très compactes peuvent être mises en haut ou en bas de la gaine de l’ascenseur, et ne nécessitent plus de locaux de machinerie sur le toit.
    Mais elles sont 10 à 15% plus chères et donc, si vous avez de tels locaux, cela ne sert à rien de mettre une telle machine et un moteur synchrone à treuil classique est préférable.
    Ces machines gearless sont destinées aux immeubles en construction.

Les armoires de commande électroniques :

    Elles ont remplacé les vieilles armoires électromécaniques et sont  constituées de microprocesseurs et de matériel électroniques et sont égrées par des logiciels.
    Dans une telle armoire, on trouve principalement les modules suivants :
        - l’alimentation de puissance du moteur en fréquence variable;
        - le pilotage de la vitesse de l’ascenseurs, en fonction des demandes d’étages enregistrées des usagers;
        - le système de repérage de la position de l’ascenseur grâce à de petits contacteurs magnétiques dans la gaine;
        - un dispositif de pesée pour éviter la surcharge de l’ascenseur;
        - les systèmes de commande d’ouverture et fermeture des portes, et les sécurités correspondantes;
        - un système de gestion de la signalisation en cabine et aux étages;
        - un système particulier de commande des fonctions de l’ascenseur à partir du toit de la cabine destiné aux personnels d’entretien;
        - un module de synthèse vocale (pour les mal-voyants);
        - un système d’alerte et de télétransmission permettant d’appeler un dépanneur si on est enfermé dans l’ascenseur en panne.
    En outre un système de contrôle de survitesse décèlerait une vitesse anormale de la cabine et fait alors déclencher des mâchoires qui se serrent autour des guides et arrêtent la cabine (on appelle cela le « parachute »).
    L’armoire est commandée par un système de boutons en cabine et sur les paliers et donne des indications visibles et sonores sur des voyants.

Les coûts :

    Une modernisation d’un ascenseur (moteur + électronique) est une opération longue et chère. qui nécessite environ 3 semaines de travaux.
    Les prix sont évidemment variables suivant l’installateur, la grandeur de l’ascenseur, la hauteur de l’immeuble. Ils sont de l’ordre de 35 000 €,  pour des immeubles moyens, se répartissant approximativement  en 12 000 € pour la motorisation, 18 000 pour l’armoire et le câblage électrique, et 5 000 € pour la signalisation et les commandes en cabine ou sur les paliers.