LOW←TECH MAGAZINE

Les Matelas-Fascines : la Vannerie se Déchaîne

2021-11-03T00:00:00+01:00

Image : Un matelas-fascine en train d’être coulé pour le drainage des écluses à Den Oever. Source : Dienst Zuiderzeewerken, CC BY 3.0 NL. Date inconnue.

Défenses Côtières et Fluviales

Le changement climatique est une menace imminente pour les communautés côtières et fluviales très peuplées du monde entier. Pendant des siècles, les gens ont construit des structures de défense pour prévenir les inondations et l’érosion : brise-lames, cloisons, épis, levée, fossés, digues et murs de retenue. De nos jours, nous construisons généralement ces structures au moins en partie à partir de matériaux à haute teneur en énergie et en carbone : béton armé (le plus souvent), géotextiles, acier, treillis métallique, asphalte. Cependant, nous pouvons construire—et certains l’ont fait—des défenses fluviales et côtières très adéquates sans contribuer encore plus à la destruction de l’environnement à long terme.

L’inspiration vient—sans surprise—des Pays-Bas. La mer y est une menace depuis bien avant le changement climatique. Les Hollandais ont construit leur pays en partie sur le fond de la mer, l’ont asséché à l’aide de moulins à vent et ont entouré de digues les nouvelles terres. La côte néerlandaise a un sol sablonneux à grain fin qui offre peu de résistance au frottement de l’eau. Les courants, les vagues et les hélices des navires érodent les fonds et peuvent facilement conduire à l’effondrement des digues, des berges, des quais, des écluses et des culées.

Image : effondrement de digue au Zeeland, près de Kats dans le North Beveland, 1966. Domaine public.

Le Matelas-Fascine

Avec de l’eau douce ou saumâtre qui stagne ou s’écoule lentement, la plantation de roseaux à la surface de l’eau peut protéger les berges. Cependant, cette approche ne fonctionne pas avec l’eau salée et n’empêche pas non plus les dégâts causés par de grosses vagues. Il y a au moins 400 ans, les Hollandais trouvèrent une solution : le matelas-fascine (ou matelas de fagots, ou couches de branches à rejets). Un matelas-fascine se compose de milliers de brindilles fines, principalement de saules. Celles-ci sont tissées ensemble en un tapis robuste coulé au fond d’un canal, d’un estuaire ou d’une rivière. Un matelas-fascine peut s’étendre en partie sur la rive ou la digue.

Les matelas-fascines étaient souvent rectangulaires et de grandes dimensions : généralement entre 20 et 30 mètres de large et jusqu’à 150 mètres de long (parfois plus). Les structures étaient fabriquées sur terre, remorquées jusqu’à leur emplacement, puis coulées au fond en les lestant avec des gravats. Tout se faisait à la main. Les plantations de taillis voisines fournissaient le bois pour tresser les matelas.

Image : La fabrication d’un matelas-fascine, Haringvliet, 1956. Domaine public.

Durée de vie : des siècles

On ne sait pas exactement quand les Néerlandais ont commencé à utiliser des matelas-fascines. L’image la plus ancienne est un tableau de 1676 de Matthias Withoos, qui illustre la réparation d’une digue. Cependant, il existe des références à des constructions en broussailles dans l’ingénierie hydraulique déjà au 16ème siècle. De nombreux matelas-fascines restent fonctionnels aujourd’hui, des siècles après leur construction. Le bois de saule devient dur comme de la roche sous l’eau et ne se détériore presque pas. Des recherches menées à la fin des années 1960 ont montré que la plupart des matelas-fascines submergés pendant plus de 100 ans—certains datant du début des années 1820—sont restés intacts.

Nous ne savons pas combien de matelas-fascines sont encore opérationnels au fond des eaux néerlandaises, mais ils sont pratiquement partout. La plupart des données sont disponibles à partir de la période qui a suivi la Seconde Guerre mondiale, lorsque les Néerlandais utilisèrent cette technologie à grande échelle. En 1953, des inondations catastrophiques frappèrent les Pays-Bas. Cela conduisit aux Delta Works, une série de travaux de construction ambitieux pour protéger la terre de la mer.

Image : Matelas-fascines dans le Biesbosch, 1968. Domaine public.

Les matelas-fascines furent une partie essentielle de ce plan. Par exemple, entre 1960 et 1966, les Néerlandais ont ajouté 200 000 m2 de matelas-fascines dans la région des Wadden (un groupe d’îles au nord). Entre 1954 et 1967, lors de travaux fluviaux à travers le pays, ils ont coulé 1 200 000 m2 de matelas-fascines par le fond.

Tressage d’un Matelas-Fascine

La fabrication d’un matelas-fascine était un métier qui impliquait principalement nouage et tressage. Dans les zones soumises aux marées, les Hollandais tressaient des matelas-fascine dans des bancs de vases qui étaient secs à marée basse. Cela signifiait que le travail devait se faire rapidement. La marée haute revenue, la structure commençait à flotter—et elle devait être suffisamment robuste pour ne pas partir en morceaux. La finition du matelas-fascine pouvait se produire lors de la prochaine marée basse ou même pendant que la structure flottait.

Les artisans commencèrent à tisser de petits branchages en fagots ou en bandes appelés fascines (« wiepen » en néerlandais). Les fascines pouvaient atteindre 50 m de long, pour un diamètre d’environ 30 à 50 cm, et étaient attachées ensemble avec de fines brindilles. Les fascines servaient à construire un cadre inférieur, qui constituait la base de toute la structure. Les fagots étaient superposés transversalement à environ un mètre les uns des autres et fixés avec une corde et un poteau aux intersections.

Au-dessus de ce cadre se présentait un « remplissage » de 30 à 40 cm de deux couches de branchages en croix l’une par rapport à l’autre. Entre celles-ci, il y avait une couche de roseaux, qui rendait le matelas-fascine résistant au sable. Ensuite, un cadre supérieur de fascines était construit, identique au cadre inférieur, au-dessus du « remplissage ». Les hommes attachaient le tout aux poteaux. Il fallait environ six hommes pour construire un matelas-fascine de 100 m2.

Image : Un matelas-fascine. Par Jan Muijs, Rijkswaterstaat, 1974, CC BY 3.0 nl.

Image : Dessin d’un matelas-fascine classique en bois de saule pour la protection du lit du cours d’eau. Source : Hollands’ Rijshout, Van Breen (1920).

Image : Fabrication de fascines, 1945. Photographe inconnu / Anefo, CC0, via Wikimedia Commons

Image : Fabrication de fascines, 1952. Harry Pot / Anefo, CC0, via Wikimedia Commons.

Image : Transport de fascines, 1953. Joop van Bilsen / Anefo, CC0, via Wikimedia Commons.

Image : Tressage de matelas-fascines, 1956. Harry Pot / Anefo, CC0, via Wikimedia Commons.

Clôtures

Ensuite, les artisans tressaient des clôtures au-dessus des matelas-fascines en tissant plus de branchages autour des poteaux aux points où les fascines se croisaient et qui saillaient bien au-dessus du cadre supérieur. Ces clôtures renforçaient encore plus la structure et évitaient aux gravats de rouler hors du matelas. C’était un risque durant l’enfoncement des matelas-fascines au fond de l’eau. L’enclos remplissait également son rôle lorsque le matelas-fascine reposait sur une pente forte, comme dans le cas d’une digue. Les gravats les plus petits pouvaient aussi être emportés par le courant—les clôtures empêchaient cela. Finalement, les hommes équipaient le matelas-fascine avec des accessoires de traction (dispositifs de sept pieux offrant des attaches solides aux cordes) à des fins de remorquage.

Image : Tressage de clôtures sur un matelas-fascine, 1950. Par van Oorschot / Anefo, CC0, via Wikimedia Commons.

Image : Tressage de clôtures. Source : Zink- en aanverwante werken, benevens het hoe en de wijze waarop, B. Hakkeling, 1970.

Couler un Matelas-Fascine

Une fois que les artisans avaient remorqué un matelas-fascine jusqu’à sa destination et l’avaient amarré, ils coulaient la structure par le fond. À cette fin, les ouvriers lestaient le matelas-fascine de pierres et de gravats. Ce travail éreintant se faisait manuellement. Des rangées d’artisans s’alignaient sur des passerelles, se passant des pierres de 10 à 30 kg une par une. Les travailleurs munis de brouettes transportaient les gravats depuis la terre ferme avec celles-ci ou les transbordaient directement d’un bateau sur le matelas-fascine.

En mer, un mètre carré de matelas-fascine nécessitait environ 200 kg de pierres pour couler. La plupart du poids était placé sur les bords pour empêcher le matelas-fascine de basculer pendant qu’il sombrait. Une fois que la structure atteignait le fond, 1 000 kg supplémentaires de pierres plus lourdes étaient ajoutés. En rivière, moins de poids était nécessaire : seulement 120 kg environ pour couler un matelas-fascine et environ 300 kg pour le maintenir en place. Trouver suffisamment de pierres était beaucoup plus problématique que de trouver des broussailles parce qu’elles devaient être transportées par bateau depuis des zones éloignées.

Les matelas-fascines ne pouvaient être coulés au fond que par mer calme et avec peu de courant, donc le timing était crucial. L’étale, cette période de quelques minutes entre jusant et flot, était exploité au maximum, même si cela impliquait du travail partiellement nocturne.

Image : Des ouvriers installent des matelas-fascines pour la construction des écluses dans le Haringvliet près de Hellevoetsluis, 1956. Par Anefo, CC0.

Image : Un matelas-fascine en train d’être couler, 1968. Par Nationaal Archief, CC0.

Image : Renforcement du boulevard Vlissingen, 1958. Par Anefo, CC0.

Image : Renforcement d’une digue près de Ouwerkerk sur le Duiveland, 1953. Par Joop van Bilsen / Anefo, CC0.

Image : Un matelas-fascine en train d’être couler. Source : Zink- en aanverwante werken, benevens het hoe en de wijze waarop, B. Hakkeling, 1970.

Image : Préparatifs pour couler un matelas-fascine. Source : Holland’s rijshout, L.G. van Breen, 1920.

Image : Mouillage d’un matelas-fascine. Notez les accessoires de remorquage au premier plan. Joop van Bilsen / Anefo, CC0.

Chevauchements de Matelas-Fascines

Déposer un matelas-fascine au bon endroit était un défi. Il était difficile de les faire couler avec précision. Selon certaines sources, il y avait parfois 2 à 5 m d’espace prévu entre des matelas-fascines adjacents. Le chevauchement de structures était à éviter car le courant pouvait retourner la pièce supérieure.

Toutefois, Gerrit Jan Schiereck, professeur retraité en ingénierie hydraulique et ancien employé du département des travaux publics néerlandais, n’est pas d’accord avec ce conseil : « contrairement à ce que certaines livres disent, il était nécessaire de faire se chevaucher partiellement les matelas-fascines ». ¹

Tous les matelas-fascines ne sont pas des rectangles. En se connectant à des constructions existantes, dans les courbes des rivières et à cause de tout autre irrégularité, les structures pouvaient prendre la forme d’un trapèze ou d’un quadrilatère irrégulier. Néanmoins, les pièces avec des coins dentelés étaient évitées le plus possible.

Image : Des matelas-fascines mal placés dans la courbe d’une rivière. Source : Zink- en aanverwante werken, benevens het hoe en de wijze waarop, B. Hakkeling, 1970.

Image : Une collection de matelas-fascines. Holland’s rijshout, L.G. van Breen, 1920.

Plantations de Taillis en Zone de Marée

L’utilisation de matelas-fascines était fortement liée à la production à large échelle de broussailles sur des plantations de taillis. Comme vu dans un précédent article, nos ancêtres récoltait du bois sur des arbres taillés plutôt qu’abattus. Les plantations en taillis hollandaises – les « grienden » – sont remarquables en raison de leurs sols « humides » : de hauts niveaux d’eaux fluviales ou l’action des marées inondaient occasionnellement les terres. Au contraire de la majorité des autres espèces d’arbres, le saule tolère l’eau salée et (temporairement) d’avoir les pieds mouillés. Ainsi, les plantations de taillis pouvaient utiliser des terres autrement impropres à l’agriculture.

En 1915, environ 14 000 hectares (140 km2) de forêt aux Pays-Bas étaient des plantations de taillis en zone fluviale ou de marée, à comparer aux 85 000 hectares de plantations de taillis « classiques », ainsi que 155 000 hectares de futaie. La plupart se situait le long d’estuaires au-delà des digues et dans les zones fluviales de Hollande-du-Sud et de Brabant-du-Nord. Le plus grand complexe se situait dans le Biebosch. Plus de 200 différents types de saules poussaient dans les plantations de taillis de zones fluviales et de marée. Sur les sols pauvres, les Hollandais plantèrent des aulnes entre les saules. Les feuilles mortes des aulnes fertilisaient les sols et augmentaient la durée de vie et la production des saules.

Souvent, un quai entourait les plantations de taillis en zone de marée. Cela gardait l’eau hors de la zone de plantation pendant les marées normales. La plantation était inondée uniquement par les ondes de tempête en hiver. Des valves assuraient un drainage de l’eau suffisamment lent afin de permettre aux boues de se déposer, fertilisant ainsi le sol. Des fossés traversaient les plantations et aidaient au drainage – l’eau stagnante étant nuisible aux arbres. Les ouvriers utilisaient aussi les étroits canaux pour transporter les brousailles hors des plantations par bateau. Les plantations de taillis fluviales se situaient à l’intérieur des zones protégées par les digues. Là, le niveau d’eau souterrain – influencé par les rivières alentours – déterminait l’environnement pour les arbres.

Récolter le bois demandait tout autant de travail que le tressage des matelas-fascines. La maintenance était entièrement effectuée à la main et principalement lors des mois d’hiver. Les ouvriers des plantations taillaient les broussailles après que la chute des feuilles et ils groupaient les branches en fagots. Ils plaçaient aussi de nouvelles boutures dans le sol, draguaient les fossés et enlevaient le bois. La majorité des ouvriers travaillaient dans les plantations à la journée lorsque le travail manquait dans les champs. Ils dormaient le plus souvent dans de petits abris ou sur de petits bateaux sur les plantations. ²

Image : Champ de saules à l’extérieur des digues sur le Oude Maas (Carnisse Grienden). Par Ceinturion, (CC BY-SA 3.0).

Image : Le Biesbosch en 1908. Source : Wilgenkartering in de Brabantse, Sliedrechtse en Dordtse Biesbosch, 2012-2013. Nationaal Park de Biesbosch, 2014.

Image : Une plantation de taillis en zone de marée (Anna-Jacominaplaat) en 1950. Source : Wilgenkartering in de Brabantse, Sliedrechtse en Dordtse Biesbosch, 2012-2013. Nationaal Park de Biesbosch, 2014.

Image : Fossé dans un plantation de taillis en zone de marée (1930-1950). Source : Wilgenkartering in de Brabantse, Sliedrechtse en Dordtse Biesbosch, 2012-2013. Nationaal Park de Biesbosch, 2014.

Image : Une cabane d’ouvrier sur une butte. Source : Regionaal Archief Dordrecht. (CC-BY-SA 4.0).

Péniche aménagée sur une plantation de taillis en zone de marée. Source : Regionaal Archief Dordrecht. (CC-BY-SA 4.0).

Évolution dans les années 1960

A la suite des inondations catastrophiques des années 1950, les Hollandais constituèrent un groupe de travail dans le but de trouver des méthodes moins laborieuses et plus productives. Le tissage des fascines, travail qui pesait pour environ le tiers de toutes les heures passées à concevoir un matelas-fascine, fut le premier processus à être mécanisé. Une « machine à fascine »—tournant grâce à un moteur diesel de 2 CV—apparu en 1956. Elle pouvait réaliser 10 000 fascines par semaine, fournissant assez de matière pour 2 300 m2 de matelas-fascines. A partir des années 1950, les Hollandais utilisèrent également des grues et des transporteurs vibratoires pour déplacer les gravats, et ils construisirent des quais afin de tresser les matelas-fascines sur de larges pentes près de l’eau. Cela rendit la fabrication des matelas-fascines indépendante des marées et permit une meilleure organisation du travail. Les techniques pour couler les structures évoluèrent également.

Enfin, l’invention des géotextiles comme de bons filtres à sable réduisirent le besoin pour le bois de taillis. Ceci fut déterminant, car les champs de production de saules existants dans le pays à cette époque ne pouvaient pas fournir les quantités nécessaires pour le Delta Project. Les plantations hollandaises de taillis en zones fluviales et de marée servirent d’autres buts et les matelas-fascines formèrent seulement un petit marché. Bien plus important furent le tressage de paniers et de caisses, et tout particulièrement la fabrication de cerceaux pour l’élaboration de tonneaux à harengs, un produit d’export important aux Pays-Bas à l’époque. En effet, les Hollandais utilisèrent les matériaux de rebus issus de la fabrication des cerceaux pour tresser des matelas-fascines. Toutefois, après la Première Guerre Mondiale, les sangles en acier et autres matériaux de conditionnement supplantèrent la fabrication des cerceaux du marché. Qui plus est, les combustibles fossiles rendirent l’assèchement des polders plus facile, ainsi de moins en moins de terres restaient disponible pour les plantations de taillis. Des 14 000 hectares de plantations de taillis de zones fluviales et de marée en 1915, seulement 2 000 hectares restaient en 1983.

L’utilisation de matelas-fascines traditionnels—sans géotextiles—a presque complètement disparue. Néanmoins, ils sont toujours utilisés dans les réserves naturelles et ont connu un regain d’intérêt dernièrement. La production d’acier, de ciment et de plastique entraîne des émissions de carbone et génère d’autres formes de pollution. D’autre part, les matelas-fascines traditionnels extraient du carbone de l’atmosphère et le stockent au fond de la mer pour plusieurs siècles—sans aucune pollution ni combustible fossile.

Kris De Decker

Remerciements à Gerrit Jan Schiereck, Bart Schultz et Alice Essam.

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Références :

De Bruin, Dick, and Bart Schultz. “A simple start with far‐reaching consequences.” Irrigation and Drainage: The journal of the International Commission on Irrigation and Drainage 52.1 (2003): 51-63.

Zink- en aanverwante werken, benevens het hoe en de wijze waarop, B. Hakkeling, 1970.

JW van Westen, Ontwerp en uitvoering van zinkwerken, 1969.

Holland’s rijshout, L.G. van Breen, 1920.

J.A.M. Schepers, Een landelijk overzicht van de grienden, 1988

Getijdenbossen, F.W. Rappard, 1971

Rijshout-, riet- en stroconstructies, J.C Visser 1954

Stroomzinken 1967-1968, H.Y. Wenning

De teelt van griend- en teenhout in nederland en het naburige vlaanderen. DWP Wisboom van Giessendam, 1878.

Geschiedenis van de techniek in nederland. De wording van een moderne samenleving. 1800-1890, deel III. H.W. Lintsen, 1993.

Wilgenkartering in de Brabantse, Sliedrechtse en Dordtse Biesbosch, 2012-2013. Nationaal Park de Biesbosch, 2014.

Phone call on 2 November 2021. ↩
As far as I could find out, the large fascine mattress is almost exclusively a Dutch technology. However, Dutch engineers like Johannis de Rijke also introduced the fascine mattress in Japan during the Meiji period (1868-1912). Here, it was made from bamboo. Some years ago, the Japanese still used the technology in the Hokuriku region. River coppice plantations also existed in present-day Belgium (around Bornem) and Poland, but these plantations only supplied basketry materials. ↩

Comment fabriquer un panneau solaire low-tech

2021-10-05T00:00:00+02:00

George Cove, aux côtés de son troisième dispositif solaire. Source: “Generating electricity by the sun’s rays”, Popular Electricity, Volume 2, nr. 12, April 1910, pp.793.

Si le modèle de panneaux créé par Cove s’avérait utilisable en conditions réelles, il serait possible de s’en inspirer pour créer des panneaux solaires très efficaces et plus durables.

Plus efficaces mais peu écologiques

Depuis que les laboratoires Bells ont présenté leur premier panneau solaire prêt à l’emploi dans les années 50, tous les efforts de recherches ont été orientés vers la réduction des coûts et l’amélioration du rendement des cellules photovoltaïques. Dans ces deux domaines, les chercheurs ont effectivement fait des progrès spectaculaires : le rendement des panneaux solaires est passée de moins de 5% dans les années 50 à plus de 20% aujourd’hui, tandis que le prix par watt-crête est passé de 30 dollars en 1980 à moins de 0.2 dollars en 2020. Ces coûts très bas, permis par un haut rendement, tiennent une grande place dans le narratif sur les énergies renouvelables car ils permettent au solaire d’être compétitif sur le marché de l’électricité face aux énergies fossiles.

Pourtant, en ce qui concerne l’impact écologique, les progrès ont été bien plus limités. Pour commencer, les panneaux solaires ne sont toujours pas recyclables, et ce depuis les années 50: c’est toute une filière de déchets qui finit dans nos décharges. D’autant que ce flux n’est pas près de se tarir: il faut 25 à 30 ans avant qu’un panneau solaire devienne inutilisable, et la plupart des panneaux ont été installés récemment. Les dernières estimations avancent qu’en 2050, près de 80 millions de tonnes de panneaux solaires achèveront leur cycle de vie : cela représente une quantité de déchets phénoménale, mais également une menace à court et long terme car les cellules photovoltaïques contiennent des éléments hautement toxiques et présentent un risque de combustion.

La priorité est donnée à l’industrie lourde, qui nécessite un investissement initial conséquent et la mise en place de filières d’approvisionnement et de réseaux de distribution très étendus; cela dissuade de plus petites entreprises ou des collectifs informels de se lancer dans la production à échelle locale de panneaux solaires.

La fabrication de panneaux photovoltaïques elle-même pose de nombreux problèmes. Elle génère des déchets toxiques et nécessite de passer par des filières d’approvisionnement mondialisées. Un cocktail d’usines à forte intensité capitalistique, de machines-outils perfectionnées, de ressources issues de l’exploitation minière, le tout dilué aux énergies fossiles d’un bout à l’autre de la chaîne.

Lorsque des scientifiques réalisent l’analyse de cycle de vie d’un panneau solaire, ils cherchent à calculer la quantité de matériaux et d’énergie nécessaire à la fabrication d’un panneau. En revanche, ils ne considèrent pas l’énergie et les ressources nécessaires à mettre en place et entretenir la chaîne logistique responsable de la fabrication et de la distribution des panneaux. ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ Ainsi ces études ne révèlent en rien le véritable coût des panneaux solaires en termes de dépendances aux énergie fossiles, d’émissions de gaz à effet de serre ou d’autres pollutions environnementales. De plus, cette priorité donnée à l’industrie lourde, avec ses capitaux et ses longs circuits d’approvisionnement, dissuade de plus petites entreprises ou des collectifs informels (« Do It Yourself », NDT) de se lancer dans la production à échelle locale de panneaux solaires.

S’inspirer du passé

Les panneaux solaires photovoltaïques sont-ils donc irrémédiablement insoutenables d’un point de vue écologique, voués à générer des déchets non-recyclables ? À dépendre d’un complexe techno-industriel centralisé nécessitant des capitaux très importants ? Ou bien au contraire, serait-il possible de les fabriquer avec des ressources locales, recyclables et des procédés de fabrication moins complexes et coûteux en énergie ? Autrement dit, pourrait-on créer des panneaux solaires « low-tech » ? Si oui, à quoi cela ressemblerait-t-il en termes de prix et de rendement énergétique ?

Avant de répondre à cette question il est important de noter que dans la plupart des cas, la meilleure manière de faire l’économie d’un panneau solaire high-tech n’est pas d’en trouver un low-tech, mais bien d’utiliser l’énergie du soleil directement. C’est à dire : sans la convertir en électricité. Par exemple, un étendoir à linge ou un chauffe-eau solaire sont incomparablement plus efficaces, écologiques et abordables financièrement que n’importe quel sèche-linge ou chauffe-eau électriques branchés à un panneau photovoltaïque. Utiliser directement la lumière du soleil ne nécessite rien de plus que les matériaux disponibles localement, des techniques de fabrication relativement simples et fonctionne grâce à l’économie locale, avec peu d’intermédiaires.

Pourtant dans cet article, je souhaite répondre à cette question au sens strict : peut-on construire des appareils photovoltaïques low-tech, qui puisse convertir le rayonnement solaire en électricité ? Dans l’un de nos articles nous avons montré que l’histoire nous offre des pistes inspirantes pour développer des éoliennes plus écologiques. Pourrait-t-on également y piocher des idées pour concevoir de meilleures cellules photovoltaïques ?

La préhistoire des cellules solaires

Le panneau solaire présenté en 1954 par les Bell Labs ne sortait pas de nulle part. La cellule en silicium trouve son origine dans des appareils plus simples qui pouvaient produire de l’électricité à partir de lumière ou encore de chaleur.

En 1821, Thomas Seebeck découvrit qu’un courant électrique circule dans un circuit composé de deux métaux de natures différentes et dont les jonctions ne sont pas à la même température. C’est sur cet « effet thermoélectrique » que se basent les « générateurs thermoélectriques » qui convertissent la chaleur (par exemple, celle émise par un poêle à bois) directement en électricité. En 1839, Antoine Becquerel découvrit à son tour que la lumière pouvait se transformer en électricité, et cet effet fut démontré sur les solides et particulièrement le sélénium par plusieurs scientifiques dans les années 1870. Cet « effet photoélectrique » donna naissance au « générateur photoélectrique », que nous appelons à présent générateur « photovoltaïque » ou cellule solaire photovoltaïque. En 1883, Charles Fritts créa le tout premier module photovoltaïque en utilisant du sélénium et une fine couche d’or. ¹² ¹³ ¹⁴

A cette époque les applications pratiques pour les appareil photoélectriques et thermoélectriques ne sont pas légion, et ce jusque dans les années 1950. Plusieurs inventeurs conçoivent différents types de générateurs thermoélectriques, le plus souvent alimentés par une flamme de gaz, et leur rendement dépasse rarement les 1 %. Dans le même temps, le panneau solaire fabriqué par Charles Fritts et les cellules solaires au sélénium qui vont suivre convertissent le rayonnement solaire en électricité à un rendement atteignant péniblement 1 à 2 %. ¹⁵ Bref, peu de matière ici pour nous aider à créer des panneaux solaires utilisables.

Un précurseur oublié de l’énergie solaire

Et pourtant, il semblerait que ce panorama de la « préhistoire du panneau solaire » soit incomplet. En 2019 j’ai reçu un e-mail de la part d’un lecteur de Low-Tech magazine, Philip Pesavento :

« Cela fait depuis le début des années 1990 que j’étudie l’un des pionniers des cellules solaires qui travaillait dans la période qui précédait la Première Guerre Mondiale. Je deviens trop vieux pour continuer, et bien qu’il y ait eu quelques articles académiques à propos de M. Cove ils sont passé complètement à côté de ce qu’il a accompli. Je vous ait mis ci-joint le PDF d’un Powerpoint que j’ai réalisé en 2015 et que je n’ai jamais montré à personne. Si cela vous intéresse de rédiger un article à ce propos je pourrais vous envoyer une clef USB avec toute la documentation que j’ai rassemblée. »

Si le compte-rendu historique et les hypothèses proposées par Philip Pesavento se révèlent exactes, George Cove aurait tenté de fabriquer un générateur thermoélectrique mais aurait accidentellement créé un générateur photovoltaïque – une cellule solaire. Ce n’est qu’au tout début du XXe siècle que cela ce serait passé, pourtant le rendement de la cellule créé par Cove était comparable à celui de la cellule des Bell Labs en 1954. Le modèle développé par Cove dépassait de loin les performances de toutes les cellules solaires au sélénium fabriquées entre les années 1880 et 1940.¹⁶ Philip Pesavento: « Ce serait formidable de confirmer que des cellules solaires de plutôt grande efficience ont été inventées 40 ans avant que les cellules au silicium ne fassent leur apparition. Mais surtout, si il est prouvé qu’un système de panneaux photovoltaïque a pu être créé avant la première guerre mondiale, cela pourrait signifier qu’il utilisait des matières premières peu coûteuses aujourd’hui, avec peu d’énergie grise nécessaire à la transformation du minerai en métal, simple à fabriquer et présentant peut-être un rendement intéressant. »

En d’autres termes, si le compte-rendu historique et les hypothèses proposées par Philip Pesavento se révèlent exactes, construire des panneaux solaires low-tech pourrait être à portée de main.

Le générateur électrique solaire de George Cove

C’est en 1905 au Metropole Building à Halifax en Nouvelle-Écosse canadienne que George Cove présenta son premier « générateur solaire électrique ». Il en existe une image, et c’est la seule donnée que nous ayons sur ce panneau.¹⁷ Pourtant sa puissance et son rendement devaient être remarquables car des investisseur des États-Unis dépêchèrent un expert à Halifax. Après avoir lu le rapport de cet expert, ils firent venir Cove aux États-Unis (à Sommerville, Massachusetts) pour qu’il puisse continuer à développer son invention.

C’est là-bas que Cove présenta en 1909 sa deuxième machine : un panneau de 1,5m2 qui pouvait produire 45 watt et avait un rendement de 2,75 % pour transformer l’énergie solaire en électricité. Au cours de l’année 1909 Cove déménagea à New York City, et c’est là qu’il présenta son troisième prototype. Il s’agissait d’une installation solaire comportant quatre panneaux de 60 watt-crête chacun, qui permettaient de charger cinq batteries au plomb-acide sulfurique. Cela représentait une surface totale de 4,5m2 et la puissance de production maximale était de 240 Watts, le rendement atteignait 5 % - comparable au premier panneau solaire des Bell Labs. ¹⁸

Ci-dessus: Le premier panneau solaire de George Cove, présenté en 1905. Source: Technical World Magazine 11, nr4, Juin 1909.

Ci-dessus: Le deuxième panneau solaire de Cove, dont une partie est manquante. Source: Technical World Magazine 11, nr.4, Juin 1909.

Ci-dessus: Le troisième panneau solaire créé par George Cove. Source: “Harnessing sunlight”, René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, Septembre 1909.

Ci-dessus: La troisième installation solaire de Cove. Les panneaux sont maintenant inclinés et non plus posés à plat.Source: Literary Digest 1909, pp. 1153.

Ci-dessus : L’un des panneaux de la troisième installation solaire, sans les vitres. Source: “Harnessing sunlight”, René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, Septembre 1909.

Bien qu’il ne soit plus fait mention de George Cove dans l’histoire du photovoltaïque, son générateur électrique solaire impressionna sensiblement la presse technique de son époque. Par exemple en 1909, le Technical World Magazine écrivait : « cette machine est aussi peu coûteuse et robuste que n’importe quelle cuisinière. Même à l’état de prototype rudimentaire, elle est capable, avec deux jours d’ensoleillement, de produire et stocker suffisamment d’électricité pour alimenter une maison ordinaire pendant une semaine. Cet inventeur l’a prouvé depuis des mois et à maintes reprises. ¹⁹

Des fiches métalliques coulées dans l’asphalte

Comment George Cove a-t-il fait pour construire une installation solaire avec 40 ans d’avance sur son temps ? D’après Philip Pesavento, qui a travaillé en tant qu’ingénieur en semi-conducteurs, Cove souhaitait créer un générateur thermoélectrique (TEG) perfectionné. Son générateur était voué à être exposé à la chaleur d’une cuisinière à bois et à l’énergie solaire dans le même temps. En effet Edward Watson avait conçu le premier prototype expérimental de générateur thermoélectrique solaire (STEG) dès 1888. On peut également comprendre clairement quel était le projet initial de Cove avec la description qu’il fait de son appareil :

“C’est un cadre pourvu de plusieurs vitres teintées violettes, derrière lesquelles se trouvent, coulées dans une plaque faite d’un composé asphalté, une myriade de petites fiches métalliques. L’une des extrémités des fiches est toujours exposée au soleil tandis ce que l’autre demeure au frais, à l’ombre.”

Générer la plus grande différence de température possible voilà tout l’enjeu de la production d’électricité avec un système thermoélectrique, ainsi le dispositif imaginé par Cove prend tout son sens. Pourtant lorsqu’il mesura la puissance générée, il constata que l’appareil ne répondait pas à la chaleur comme le ferait normalement un générateur thermoélectrique. Dès le début, Cove constate que son invention utilise la chaleur, mais aussi la lumière pour produire de l’électricité lorsqu’elle se trouve exposée aux rayons du soleil:

“La particularité de mon invention est la suivante: la composition des fiches métalliques a ceci de particulier que lorsqu’elles entrent en interaction avec les rayonnements solaires elles génèrent du courant non seulement grâce au rayonnement thermique mais aussi grâce aux rayons violets.”

Après avoir mené plusieurs expériences en utilisant la chaleur du poêle, l’exposition solaire ou une combinaison des deux, Cove précisa sa compréhension du phénomène :

“Exposer la machine à une source de chaleur artificielle ne semble pas générer d’électricité, peu importe la source utilisée. Seul le rayonnement thermique du soleil semblent fonctionner (infra-rouges de courte portée), les rayons violets et ultraviolets jouent peut-être aussi un rôle dans la création du courant électrique.”

En guise de cellules, le panneau solaire de Cove comprenait des “fiches”, soit des barres métalliques d’environ 7,5 centimètres, composées d’un alliage de plusieurs métaux courants. Le panneau d’un d‘1,5 mètre carré en contenait 976, et on en trouvait 4 x 1804 le dispositif de 4,5 mètres carrés. Cove cherchait à ce que les barres métalliques soit froides d’un côté et chaudes de l’autre en utilisant une couche d’asphalte pour isoler chaque côté de l’autre. Pourtant, tout cela n’avait aucune importance: ce qui changeait tout, c’est que Cove avait accidentellement un matériau semi-conducteur, pourvu d’une fine bande interdite.

La bande interdite des semi-conducteurs

Ni Georges Cove, ni aucun de ses contemporains ne comprenait comment fonctionnait ce générateur solaire. Ce sont les travaux d’Einstein sur l’effet photoélectrique (en 1905) puis bien plus tard, sur la mécanique quantique (dans les années 30 et au delà) qui vinrent éclairer la situation grâce au concepts de matériaux semi-conducteur et de leur ” bande interdite”. Les électrons peuvent avoir plusieurs “rôles” lorsqu’ils sont en orbite autour du noyau d’un atome, on les trouve à différentes distances du noyau où ils forment plusieurs “paquets” que l’on appelle des “bandes”. Ces bandes maintiennent fermement les électrons en place. Entre ces bandes il y a des écarts, des “bandes interdites” où aucun électron ne peut se trouver.

Ni Georges Cove, ni aucun de ses contemporains ne comprenaient comment fonctionnait ce générateur solaire.

Un matériau dit « conducteur » n’a pas de bande interdite, les électrons peuvent se déplacer à travers eux. C’est pourquoi un fil de cuivre laisse passer le courant électrique par exemple. Un matériau isolant (le bois, le verre, le plastique ou la céramique) a une bande interdite très large, ce qui bloque le courant électrique. Enfin, un semi conducteur a une bande interdite plutôt fine : ils peuvent se comporter en isolant ou en conducteur. Il peut devenir conducteur quand ses électrons sont heurtés par des « photons » (une particule élémentaire de la lumière) avec plus d’énergie qu’il ne leur en faut pour traverser la largeur de la bande interdite du matériau.²⁰

Comprendre le fonctionnement des matériaux semi conducteurs a permis de créer les premières cellules solaires photovoltaïques dans les années 1950. Cela a aussi permis d’améliorer les performances des générateurs thermoélectriques, mais pour d’autres raisons : bien que les générateurs thermoélectriques n’utilisent pas les propriétés offertes par la bande interdite des semi-conducteurs, ces matériaux ont un voltage thermoélectrique plus grand et une plus basse conductivité thermique que le métal et les alliages métalliques sans bande interdite, ce qui rend les générateurs thermoélectriques à base de semi-conducteurs plus performants.

La Barrière de Schottky

L’effet photovoltaïque n’apparaît que dans des systèmes non-homogènes. Les scientifiques du Bells Labs ont créé de tels systèmes dans les années 50 en utilisant la “jonction p-n”, c’est à dire la surface de contact entre un semi-conducteur ayant subi un dopage positif de type P et un autre ayant subi un dopage négatif de type N. Les semi-conducteurs de type P ont des places libres pour des électrons appelées ” trous” (qui attirent les électrons) tandis ce que les semi-conducteurs de type N ont des électrons supplémentaires. Un potentiel électrique se forme à la jonction entre ces deux éléments du système (l’ensemble est nommé « diode », NdT)

Mais il est également possible de créer un panneau photovoltaïque en utilisant une “Barrière de Schottky”, qui se forme entre un semi-conducteur et un métal. Dans ce cas de figure,c’est le métal qui se comporte comme un semi-conducteur de type N. Philip Pesavento explique:

” Mon hypothèse est que Georges Cove a accidentellement créée une cellule solaire basée sur un contact Schottky, des décennies avant que Walter Schottky n’en fasse la description. ²¹ Ces systèmes permettent de générer un effet photovoltaïque mais aussi, incidemment, un effet thermoélectrique. Les fiches utilisées étaient composées d’un alliage de zinc et d’antimoine, un alliage dont nous savons aujourd’hui qu’il est semi-conducteur. La fiche était surmontée d’un capuchon de maillechort (ou « argent allemand », NdT) à l’une de ses extrémités, et de cuivre à l’autre. Cela formait respectivement un contact ohmique, puis une barrière de Schottky. Il s’agit d’un appareil photovoltaïque.”

Une découverte fortuite

Si l’on en croit Philip Pesavento, Georges Cove avait probablement pour projet d’utiliser du maillechort comme matériau négatif à chaque extrémités de ses fiches, et un alliage de zinc et d’antimoine (ZnSb) comme matériau positif. A l’époque, il s’agissait des meilleurs matériaux thermoélectrique disponibles:

“Je pense qu’il a épuisé son stock de maillechort et qu’il s’est rabattu sur du cuivre pour finir un certain nombre de fiches, ce qui s’entend car la différence de voltage thermoélectrique entre le cuivre et l’argent allemand est très faible. Puis pendant qu’il effectuait ses tests, Cove a remarqué que ces fiches (celles avec une extrémité recouverte de maillechort et l’autre de cuivre) atteignaient un voltage nettement plus haut que les autres: dans les centaines de mV plutôt que les dizaines de millivolts habituellement observées dans les générateurs thermoélectriques.”

Que se passa-t-il? En utilisant du cuivre, Cove avait involontairement créé une Barrière de Schottky. Ainsi son générateur thermoélectrique devînt un générateur thermophotovoltaïque. “Un appareil qui fonctionne à la manière des cellules solaires photovoltaïques, mais réagissant à d’autres longueurs d’ondes. Le spectre du rayonnement solaire a une amplitude qui va d’environ 0.5 à 2.9 electron-Volts (eV), de l’infrarouge à l’ultraviolet. Un semi-conducteurs dont la bande interdite est comprise entre 1 et 1,7 peut convertir efficacement la lumière visible en électricité (c’est un générateur photovoltaïque), tandis ce qu’un semi-conducteur dont la bande interdite est comprise entre 0.4 et 0.7 eV peut convertir efficacement en électricité le spectre infrarouge du rayonnement solaire.(c’est un générateur thermophotovoltaïque).

Ci-dessus: Cette illustration issue du brevet de 1906 de Cove montre l’alliage zinc-antimoine ” b”; le capuchon d’extrémité (ohmique) en maillechort “c” ; et le capuchon (Schottky) de cuivre ou d’étain “f”. Chacun de ses éléments est maintenu en place par compression car les souder entre eux diminuait les performances du dispositif.

On sait que ZnSb - le matériau négatif utilisé par Cove pour ses fiches - est un semi-conducteur avec une bande interdite de 0.5 eV. Cela explique en grande partie pourquoi notre inventeur a commencé par observer que son générateur solaire convertissait en électricité tout autant la chaleur que la lumière. Un générateur thermophotovoltaïque ne réagit pas seulement à la part infrarouge du rayonnement solaire, mais il est également sensible au rayonnement d’une flamme ou encore d’une surface incandescente chauffée au bois ou au gaz. Il convertit également une fraction très basse du spectre de la lumière visible en électricité, avec un rendement très faible.

D’après Philip Pesavento, Cove aurait alors ajusté la composition de l’alliage jusqu’à approcher Zn4Sb3 - un alliage de zinc et d’antimoine avec 4 parts de zinc pour 6 parts d’antimoine. On sait maintenant qu’il s’agit aussi d’un semi-conducteur. Pourtant, celui ci a une bande interdite de 1.2eV, soit presque comme le silicium (1.1 eV). Ainsi, le générateur thermophotovoltaïque de Cove est devenu un générateur photovoltaïque:

Grisé par ses découvertes, Cove a probablement voulu fabriquer un grand nombre de fiches et se serait trompé dans les proportions pour l’une des séries. Lorsqu’il a mesuré le voltage aux bornes de ces fiches “ratées”, celui-ci était plus élevé que pour les autres fiches. Cove alors mené une étude plus poussée sur les alliages de zinc et d’antimoine qui lui permis de constater que l’alliage zinc d-antimoine à 40-42% était celui dont découlait le plus haut voltage (ZnSb contenant quant à lui 35% de Zinc). Le nouvel alliage découvert accidentellement par Cove, Zn4Sb3, ayant une plus grande bande interdite que son précédent alliage, cela signifiait que qu’il ne générait plus d’électricité lorsqu’il était exposé à la chaleur d’un poêle à bois. Par contre il surpassait tous les autres alliages lorsqu’il était exposé au rayonnement solaire : en effet cet alliage convertissait une bien plus grande part du spectre lumineux solaire en électricité.”

George Cove utilisa alors des filtres de verre teintés sur son dispositif et découvrit que la plupart de l’électricité générée l’était en réaction aux rayonnements du côté violet du spectre, et très peu provenait du “rayonnement thermique”. Ses prototypes de générateurs photovoltaïques précédents réagissaient de manière équivalente au rayonnement thermique et aux rayons violets, tandis que ses premiers essais (Avec du maillechort aux deux extrémités des fiches) ne réagissaient pas du tout aux rayons violets.

Et si on s'intéressait de nouveau à la cellule solaire Schottky?

Les cellules solaires à contact Schottky n’ont été que peu étudiées par les chercheurs et les entreprises privées - on compte très peu de dispositifs photovoltaïques qui utilisent du métal dans leur surface active à part pour les contacts métalliques.²² Malgré tout,Philip Pesavento est persuadé qu’il pourrait valoir la peine de tenter de recréer des cellules photovoltaïques ” de Schottky” en s’inspirant des travaux de George Cove:

“S’il était démontré que Zn4Sb3 (avec sa bande interdite de 1.2eV) peut être utilisé dans une cellule photovoltaïque, il est probable qu’une installation solaire basée sur ce principe serait plus écologique. Elle obtiendrait probablement un TRE (Taux de Retour Énergétique ou EROI, NdT) élevé et une durée de vie conséquente avec un surplus d’énergie généré sur plusieurs décennies. C’est incroyable que tout le monde semble avoir oublié ce matériau et ses applications possibles dans le photovoltaïque, aucun dispositif solaire basé sur Zn4Sb3 n’a été développé, et ce même après que des chercheurs aient démontré que cet usage serait possible au milieu des années 80. On peut dire qu’il s’agit d’une découverte prématurée, ce qui veut dire qu’elle pourrait être développée très rapidement avec les moyens actuels.”

Au-delà des panneaux solaires, Philip Pesavento voit aussi un potentiel pour les recherches de Cove dans le développement du thermophotovoltaïque pour les poêles à bois, des application solaires thermiques ou des utilisations tandem en utilisant une double jonction, en utilisant ZnSb plutôt que Zn4Sb3. Pesavento imagine également, si les cellules solaires “à fiches” s’avéraient efficaces , qu’elles permettraient de construire des concentrateurs-collecteurs solaires -comme des miroirs cylindro-parabolique ou des concentrateurs paraboliques composés - pour un coût bien plus bas.

Un procédé de fabrication simplifié

Le principal attrait du dispositif conçu par Cove est sa simplicité de fabrication. Dans les années 70 et 80, des études portant sur un usage photovoltaïque du Zn4Sb3 conclurent que : “les deux atouts évidents de ce matériau sont sa facilité de fabrication et la basse température requise dans la procédure.” ²³ le point de fusion du Zn4Sb3 est de 570°C, tandis qu’il est de 1400°C pour le silicium. Dans les années 1970, des chercheurs ont étudié les cellules solaires Schottky à contact métal - semi-conducteur, cependant il s’agissait d’autres types de semi-conducteurs que le Zn4Sb3. à l’époque, les chercheurs se penchaient sur ce type de cellules au vu de leur faible coût de fabrication comparé aux cellules de silicium.²⁴ ²⁵ Pour fabriquer des cellules solaires Schottky, pas besoin de faire diffuser du phosphore à haute température afin de créer une jonction p-n, comme c’est le cas avec le silicium que nous utilisons actuellement. Retrancher cette étape du processus suffit à réduire de 35 % la quantité d’énergie nécessaire à la création des cellules solaires. ²²

Au cours des années 1980 les chercheurs firent de grandes avancées en ce qui concerne la création de jonctions p-n, si bien que les regards se détournèrent peu à peu des alternatives. Mais les dernières années ont vu renaître un intérêt pour d’autres techniques et matériaux ; par exemple, des recherches portant sur les cellules Schottky à base d’un alliage graphène-silicium sont parvenues à la conclusion suivante : « l’un des avantages de cette technique est sa simplicité et son bas coût de mise en œuvre sans procédé de fabrication à haute température ». ²⁶ Dans d’autres études très récentes les chercheurs concluent que les cellules de type Schottky « au sélénium sont […] très simple et bon marché à fabriquer ». ²⁷ ²⁸ ²⁹ ³⁰

Un recyclage facilité

Un autre atout de ce type de cellules pourrait bien être leur facilité de recyclage. En effet, les modules à base de silicium ont une structure complexe, où chaque couche de silicium est intercalée entre deux couches de plastique feuilletées protectrices (de l’EVA la plupart du temps - éthylène-acétate de vinyle, obtenu par copolymérisation). Ces couches sont déterminante dans la longévité du module.¹ ² ³ Au moment de recycler le silicium, qui est le composant le plus précieux d’un panneau solaire, il est nécessaire de retirer ces couches, et les brûler détruirait également le module de silicium : on doit alors faire passer les cellules par une série de procédés chimiques, thermiques et métallurgique afin de pouvoir récupérer le silicium. C’est un processus qui est donc à la fois coûteux et peu écologique. Si l’on voit parfois écrit qu’environ 10 % des panneaux solaires sont « recyclés », il est plus probable qu’ils aient été « sous-cyclés » :c’est à dire que les modules ont été déchiquetés, puis les lambeaux utilisés comme « filler » (fines d’addition, NdT) pour l’asphalte ou le béton de ciment.

En revanche, les cellules photovoltaïques de Georges Cove étaient intégralement recyclables : elle n’avaient pas besoin de ces couches protectrices et ne contenaient pas de métal d’apport. Philip Pesavento: “Si l’on construisait ces cellules à la manière de Cove, c’est dire en emmanchant en force les capuchons à la presse autour des fiches et en enroulant du fil de fer autour pour les bien les maintenir en place cela faciliterait leur recyclage car il ne s’agit que d’opérations mécaniques sans usage de quelque produit chimique. Cela nécessiterait beaucoup de main-d’œuvre afin d’assembler ou de démonter le dispositif, mais il serait toujours possible d’automatiser le processus. »

Pesavento est persuadé qu’il serait aussi possible de construire des cellules solaires très fines à partir des matériaux utilisés par Cove. Reste à savoir si il serait véritablement indispensable d’y adjoindre une couche protectrice qui en compliquerait le recyclage : les cellules solaires de Schottky basées sur d’autres matériaux et sur lesquelles ont été menées des études dans les années 1970 n’avaient pas toujours de couches protectrices et pourtant certaines ont atteint une longévité de 20 ans. ²⁴

Efficacité

Quels rendements pourrait-on espérer atteindre avec nos futurs panneaux solaires low-tech, si tenté qu’ils puissent voir le jour? D’après Philip Pesavento, les cellules solaires de type Schottky sont légèrement moins efficientes à matériaux équivalents que les cellules à jonction p-n, car ces dernières génèrent un voltage plus élevé : elles reçoivent plus d’énergie de la part des photons qu’elles absorbent.

« Quand il s’agit de tirer le meilleur rendement possible d’un dispositif à tout prix, c’est une bonne option. Mais si l’objectif était de pouvoir fabriquer des cellules solaires plus simplement avec des méthodes artisanales, alors il serait plus logique d’utiliser des diodes de Schottky. »

D’un autre côté, il serait théoriquement possible de fabriquer des cellules de Schottky qui soient plus fines que des cellules PV en silicium, et cela contribuerait à améliorer leur rendement, comme l’explique Pesavento :

« Je n’ai accès à suffisamment de chiffres précis en ce qui concerne les paramètres qui mèneraient à cette conclusion (mobilité des porteurs de charge, temps de recombinaison, coefficient d’absorption…) pour pouvoir l’affirmer. Mais le fait que Cove ait pu obtenir un aussi haut rendement avec des cellules en forme de baguettes laisse à penser que cela pourrait également fonctionner avec de cellules plates et fines. »

Là encore on peut trouver des études récentes menées sur les cellules Schottky, à base d’autres matériaux, qui semblent aller dans ce sens. Par exemple, lors d’une expérience menée récemment avec des cellules Schottky au sélénium, les chercheurs ont réussi à affiner la couche de cellules jusqu’à 100 µm, contre 200 à 500 µm habituellement pour les cellules de silicium. ²⁷ ³¹ Les chercheurs ont également atteint un rendement expérimental de 17 % avec une cellule Schottky graphène/silicium, alors qu’il y a dix ans le rendement pour ce type de cellules s’élevait à 1,5 %. ²⁶

En prenant le problème autrement, on peut aussi s’interroger sur la légitimité de cette obsession du rendement élevé que l’on rencontre actuellement. Un argument que l’on entend régulièrement est que si des panneaux « low-tech » voient le jour mais qu’ils sont moins efficaces que leurs équivalents high-tech, alors il faudrait construire plus de panneaux solaires pour produire la même quantité d’énergie, et ainsi les ressources qui auraient été sauvegardées grâce aux méthodes de productions low-tech seraient dépensées pour construire ce plus grand nombre de panneaux, ce qui reviendrait au même. Pourtant, atteindre un haut rendement n’est essentiel que si l’on prend la demande en énergie actuelle pour un fait immuable. Une moindre efficacité par panneau pourrait tout à fait être compensée en diminuant la demande en énergie, surtout si cela peut nous permettre de rendre cette production d’énergie plus écologique à long terme et d’économiser des ressources sur toute la chaîne logistique. Comme pour les éoliennes, il pourrait être possible de diminuer grandement l’impact écologique de notre production d’énergie en sacrifiant un peu d’efficacité.

Qu’est devenu George Cove?

Si le panneau créé par George Cove était si révolutionnaire, pourquoi n’en entend plus parler aujourd’hui ? À ce propos, les documents sur lesquels Philip Pesavento s’est appuyé pour ses recherches tissent un récit digne d’un polar. Les plans de Cove pour produire à plus grande échelle et commercialiser son appareil photovoltaïque se sont soldés par d’étranges échecs.

Notre inventeur s’est associé avec un manipulateur de marchés financiers, Elmer Burlingame, qui a émis des actions pour différentes entreprises qui ne lui appartenaient pas, en 1909 et 1910. Parmi ces entreprises se trouvait la start-up de Cove : the Sun Electric Generator Compagny. En octobre 1909, il semblerait que Cove ait été kidnappé et qu’on l’ait menacé de meurtre si il n’arrêtait pas le développement de son invention solaire. Pourtant à l’époque, la police ignore la piste du kidnapping, jugeant qu’il s’agit d’une histoire montée de toutes pièces. En 1911, Cove et Burlingame sont tous les deux arrêtés pour fraude boursière et passent un an en prison. Par la suite, Cove travailla sur d’autres inventions, mais aucune ne portait sur l’énergie solaire. ³²

En octobre 1909, il semblerait que Cove ait été kidnappé et qu’on l’ait menacé de meurtre si il n’arrêtait pas le développement de son invention solaire.

George Cove était-il un charlatan ? Ou bien a-t-il été la victime l’un d’eux ? Ou bien encore est ce que sa réputation a été sciemment entachée parce que son générateur d’électricité solaire risquait nuire aux profits d’autres entreprises ? On trouve de nombreux exemples de technologies novatrices tuées dans l’œuf par de grandes entreprises basées aux USA. George menait ses recherches à l’époque de l’Edison Electric Illuminating Company à New York, dont les pratiques déloyales envers la concurrence sont largement documentées. Si son générateur solaire avait bien fonctionné, alors la demande, croissante à l’époque, en centrales électriques à charbon et à pétrole vendues par Edison, aurait pu en être affectée. ³² Plusieurs décennies plus tôt dans les années 1880, Edison avait notoirement racheté l’entreprise qui fabriquait le meilleur générateur thermoélectrique de l’époque ; la thermopile de Clamond, et avait stoppé le développement de la machine. ³³

Les mystères continuent

A ce moment de notre exposé, s’il est tentant d’imaginer George Cove en victime de l’histoire, on a peu d’élément auxquels se référer. Les archives rassemblées par Philip Pesavento recèlent même d’autres mystères, comme le brevet de Cove – déposé en 1905 et sa publication en 1906. Dans celui-ci, notre inventeur détaille la manière dont il a créé ses fiches de Zn4Sb3, ce qui a permis à Pesavento de se baser sur le brevet pour calculer la puissance et le rendement du dispositif solaire. Pourtant dans son brevet Cove décrit la manière dont les fiches peuvent convertir la chaleur d’un poêle à bois en électricité, alors que comme nous l’avons vu, ce n’est pas possible avec ce matériau. Le générateur avec le poêle ne fonctionnerait qu’avec des fiches en ZnSb et leur bande interdite de 0.5 eV. Philip Pesavento :

« Peut-être que cette « erreur » était volontaire de la part de Cove afin qu’on ne puisse pas copier son brevet de générateur à chaleur et le faire fonctionner ? Je n’en sais pas plus. »

Encore plus étrange, on trouve une photo de Cove posant aux côtés de l’un de ses panneaux solaires dans le livre de 2013 « Let it shine : The 6,000-Year Story of Solar Energy », un panorama historique de l’énergie solaire, par John Perling. Pourtant la légende de la photo attribue le panneau solaire présent sur l’image à Charles Fritts, l’inventeur de la cellule solaire au sélénium. George Cove lui-même a été coupé de la photo et des extraits du livre, ainsi que la photo, sont apparus sur plusieurs sites internet. Cela n’a pas surpris Philip Pesavento quand je le lui ai fait remarquer :

« J’ai découvert ça il y a des années. J’imagine que quelqu’un qui avait absolument besoin d’une image du panneau solaire de Fritts a trouvé celle-ci et retiré Cove de la photo sur photoshop. C’est vrai qu’il est totalement inconnu, et quand il arrive que quelqu’un le connaisse c’est pour ses travaux sur les générateurs thermo-électriques, pas photovoltaïques. Si on regarde bien la photo on peut voir que le haut de la colonne de droite a été déplacé là où se tenait Cove, il y a quelque chose d’étrange dans la perspective. »

Kris De Decker

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Sources

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Selenium Cells, Thomas William Benson, 1919. ↩
Extrapolating from the performance of the next panel, we can guess that this one had a power output of about 25W and just under 3% efficiency. ↩
Cove claimed to have built an even larger panel of 9 m2, but no image has survived. It was said to have had a power output of 768 watt at 8% efficiency assuming 100 W/ft2 solar insolation. This array consisted of 8 panels with a total of 14,432 plugs. ↩
Winthrop Packard, Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909. ↩
Why don’t we use conductors for solar panels? When light hits a conductor surface it mostly reflects, and little or no energy is absorbed. Furthermore, in conductors, the free electrons move randomly, there is no flow of current, no directional capacity. ↩
Cove was not the first, though. Charles Fritts’ solar cell was also based on a Schottky junction. ↩
Byrnes, Steve. “Schottky junction solar cells.” (2008). ↩↩
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Todorov, Teodor K., et al. “Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world’s oldest photovoltaic material.” Nature communications 8.1 (2017): 1-8. ↩↩
Selenium can be deposited by thermal evaporation at only 200°C. This temperature is within easy reach of solar thermal technologies, which means that in principle these processes could be run by direct use of solar energy. ↩
Hadar, Ido, et al. “Modern processing and insights on selenium solar cells: the world’s first photovoltaic device.” Advanced Energy Materials 9.16 (2019): 1802766. ↩
Ferhati, H., F. Djeffal, and D. Arar. “Above 14% efficiency earth-abundant selenium solar cells by introducing gold nanoparticles and Titanium sub-layer.” Optical Materials 86 (2018): 24-31. ↩
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More details in “George Cove’s solar energy device”, Dennis Bartels, 1997. ↩↩
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17 (2014): 1260-1267. ↩

Comment concevoir un voilier pour le 21e siècle?

2021-06-15T00:00:00+02:00

À bord du navire Garthsnaid en mer. Une vue depuis le haut du gréement. Image d’Allan C. Green, vers 1920.

Le voilier est un exemple classique de durabilité. Depuis au moins 4 000 ans, les voiliers transportent des passagers et des marchandises à travers les mers et les océans du monde sans utiliser une seule goutte de combustibles fossiles. Si nous voulons continuer à voyager et à commercer à l’échelle mondiale dans une société à faibles émissions de carbone, les voiliers sont l’alternative évidente aux porte-conteneurs, aux vraquiers et aux avions.

Toutefois, par définition, le voilier n’est pas une technologie neutre en carbone. Pendant la majeure partie de l’histoire, les voiliers ont été construits en bois, mais, à l’époque, des forêts entières étaient abattues pour la construction des navires, et ces arbres ne repoussaient souvent pas. À la fin du XIXe et au début du XXe siècle, les voiliers étaient de plus en plus souvent fabriqués en acier, qui a lui aussi une empreinte carbone importante.

L’idée d’une neutralité carbone de la voile au XXIe siècle est encore plus soumise à questions. C’est parce que nous avons profondément changé depuis l’Age de la Voile. Par rapport à nos ancêtres, nous avons des exigences plus élevées en termes de sécurité, de confort, de commodités et de propreté. Ces standards plus élevés sont difficiles à atteindre à moins que le navire ne dispose également d’un moteur diesel et d’un générateur à bord.

La renaissance du voilier

Le voilier a connu une modeste renaissance au cours de la dernière décennie, en particulier pour le transport de marchandises. En 2009, la compagnie néerlandaise Fairtransport a commencé à expédier du fret entre l’Europe et les Amériques avec le Tres Hombres, un voilier construit en 1943. La compagnie reste active aujourd’hui et dispose d’un deuxième navire en service depuis 2015, le Nordlys (construit en 1873).

Depuis, d’autres ont rejoint le secteur du transport de marchandises à voile. En 2016, la société allemande Timbercoast a commencé à expédier des marchandises avec le Avontuur, un navire construit en 1920. ¹ En 2017, la Français Blue Schooner Company a commencé à transporter du fret entre l’Europe et les Amériques avec le Gallant, un voilier construit en 1916. ² Tous ces voiliers ont été construits au XIXe ou XXe siècle, et ont été restaurés à une date ultérieure. Cependant, une renaissance de la voile ne peut pas compter uniquement sur les navires historiques, car ils ne sont pas en nombre suffisant. ³

Le Noach, construit en 1857.

À l’heure actuelle, il y a au moins deux voiliers en développement qui sont construits de zéro : le Ceiba et le EcoClipper500. Le premier est en cours de construction au Costa Rica par une société nommée Sailcargo. Il est fabriqué en bois et inspiré d’un navire finlandais du XXe siècle. Le deuxième est conçu par une société appelée EcoClipper, qui est dirigée par l’un des fondateurs du néerlandais FairTransport, Jorne Langelaan. Leur EcoClipper500 est une réplique en acier d’un clipper néerlandais de 1857 : le Noach.

« Les vieux modèles ne sont pas nécessairement les meilleurs », dit Jorne Langelaan, « mais chaque fois qu’un design éprouvé est utilisé, on peut être sûr de ses performances. Un nouveau design est plutôt un pari. En outre, aux XXe et XXIe siècles, la technologie de navigation s’est développée pour les voiliers rapides, ce qui est une tout autre histoire que les navires qui doivent pouvoir transporter des marchandises.

Des voiliers plus économiques

Ces deux navires – l’un en construction et l’autre en phase de conception – ont le potentiel de rendre le transport à la voile beaucoup plus économique qu’il ne l’est aujourd’hui. C’est parce qu’ils ont une capacité de chargement beaucoup plus grande que les voiliers actuellement en service. À mesure qu’un navire s’allonge, sa capacité de chargement augmente plus que proportionnellement.

Le EcoClipper500 est une réplique grandeur nature du Noach.

Le Ceiba (46 mètres de long), est propulsé par 580 m2 de voiles et transporte 250 tonnes de fret. Le EcoClipper500 (60 mètres) est lui propulsé par près de 1 000 m2 de voiles et transporte 500 tonnes de marchandises. À titre de comparaison, le Tres Hombres n’est pas beaucoup plus court avec 32 mètres, mais il n’accepte que 40 tonnes de marchandises – douze fois moins que le EcoClipper500. Un plus gros navire est également plus rapide et permet d’économiser de la main-d’œuvre. Le Tres Hombres a besoin d’un équipage de sept personnes, tandis que le EcoClipper500 n’a qu’un équipage légèrement plus grand de douze personnes.

Analyse de cycle de vie d’un voilier

Bien que le EcoClipper500 ne soit encore que dans sa phase de conception, il sera au centre de cet article. C’est parce que l’entreprise a réalisé une analyse de cycle de vie du navire avant de le construire. Pour autant que je sache, c’est la première analyse de cycle de vie d’un voilier jamais réalisée. L’étude révèle qu’il faut environ 1200 tonnes de carbone pour construire le navire.

La moitié de ces émissions sont générées pendant la production de l’acier et environ un tiers par des procédés de façonnage de l’acier et d’autres activités de chantier naval. Les peintures à base de solvants ainsi que les systèmes électriques et électroniques représentent chacun environ 5 % des émissions. Les émissions produites lors de la fabrication des voiles ne sont pas incluses parce qu’il n’existe pas de données scientifiques disponibles, mais un calcul rapide de coin de table (pour les voiles basées sur les fibres d’aramid) indique que leur contribution à l’empreinte carbone totale est très faible. ⁴

L’EcoClipper500 a une empreinte carbone de 2g de CO2 par tonne-kilomètre, cinq fois moins élevé que celle d’un porte-conteneur.

Si ces 1200 tonnes d’émissions étaient réparties sur une durée de vie estimée à 50 ans, alors l’EcoClipper500 aurait une empreinte carbone d’environ 2 grammes de CO2 par tonne-kilomètre de cargaison, conclut le chercheur Andrew Simons, qui a fait l’analyse du cycle de vie du navire. C’est environ cinq fois moins que l’empreinte carbone d’un porte-conteneurs (10 grammes de CO2/tonne-km) et trois fois moins que l’empreinte carbone d’un vraquier (6 grammes de CO2/tonne-km). ⁵

Vue vers la proue depuis la mâture sur le ‘Parma’, au mouillage. Alan Villiers, 1932-33. Le travail de Villiers décrit de façon vivante la période du début du XXe siècle pendant laquelle les voiliers de la marine marchande ou “grands navires” furent en rapide déclin.

Transporter une tonne de fret sur une distance de 8000 km (environ la distance entre les Caraïbes et les Pays-Bas) produirait ainsi 16 kg de carbone avec l’EcoClipper500, contre 80 kg sur un porte-conteneurs et 48 kg sur un vraquier. Les proportions sont similaires pour d’autres facteurs environnementaux, tels qu’appauvrissement de la couche d’ozone, écotoxicité, pollution atmosphérique, etc.

Bien que le voilier bénéficie d’un avantage convaincant, il peut ne pas être aussi grand qu’on peut l’imaginer. Tout d’abord, comme Simons l’explique, il y a une question d’échelle. Un porte-conteneurs ou un vraquier bénéficie des mêmes avantages sur l’EcoClipper500 que le EcoClipper500 jouit sur le Tres Hombres. Il peut prendre beaucoup plus de fret – en moyenne 50 000 tonnes au lieu de 500 tonnes – et il n’a besoin que d’un équipage légèrement plus important de 20 à 25 personnes. ⁶

Deuxièmement, les navires alimentés aux combustibles fossiles sont plus rapides que les voiliers, ce qui signifie qu’il faut moins de navires pour transporter une quantité donnée de marchandises sur une période donnée. Le navire d’origine sur lequel l’EcoClipper500 est basé, naviguait entre les Pays-Bas et l’Indonésie en 65 à 78 jours, tandis qu’un porte-conteneurs fait ce voyage en environ moitié de temps (en prenant le raccourci par le canal de Suez).

Construire une flotte de voiliers

Il y a deux façons de réduire davantage les émissions de carbone des voiliers par rapport aux porte-conteneurs et aux vraquiers. L’une consiste à utiliser du bois plutôt que de l’acier pour construire les navires, comme pour le Ceiba. Si l’on permet aux arbres coupés de repousser (ce que les fabricants du Ceiba ont promis), un tel navire peut même être considéré comme un puits de carbone.

Cependant, il y a une bonne raison pour laquelle le EcoClipper500 sera fabriqué en acier : l’objectif de l’entreprise n’est pas de construire seulement un navire, mais une flotte entière. Jorne Langelaan : « Il y a peu de chantiers navals capables de livrer des navires en bois de nos jours. L’acier facilite la construction d’une flotte en moins de temps. »

Un compromis possible serait une construction composite, dans laquelle un squelette en acier serait relié à une quille de bois, des planches, et un pont. Andrew Simons : « Cela réduirait de moitié l’empreinte carbone de la construction. Il pourrait également être possible de fabriquer des superstructures et certaines sections de mâts et longerons à partir de bois au lieu d’acier.

Projections d’embruns sur le pont principal du ‘Parma’. Alan Villiers, 1932-33.

A l’avenir, une autre possibilité pour réduire davantage les émissions d’un voilier par tonne-km serait de le construire encore plus grand. Bien que le EcoClipper500 ait une capacité de chargement beaucoup plus importante que les voiliers de fret actuellement en service, il est loin d’être le plus grand voilier jamais construit.

Les navires historiques tels que la Grande République (5000 tonnes), le Parme (5300 tonnes), le France II (7300 tonnes) et le Preussen (7800 tonnes) mesurent plus de 100 mètres de long et peuvent embarquer plus de dix fois la capacité de fret de l’EcoClipper500. Langelaan rêve déjà d’un EcoClipper3000*.

Passagers

La plupart des voiliers de fret traversant les océans aujourd’hui peuvent également embarquer quelques passagers. Entièrement chargé de fret, l’EcoClipper500 emmène 12 membres d’équipage, 12 passagers et 8 apprentis (passagers apprenant à naviguer). Si le pont supérieur n’est pas utilisé pour la cargaison, 28 autres apprentis peuvent s’y installer, de sorte que le navire peut accueillir jusqu’à 60 personnes à bord (avec un volume de chargement plus faible : 480 m3 au lieu de 880 m3).

L’empreinte carbone des passagers s’élève à 10g par passager-km, à comparer avec environ 100g par passager-km pour un avion.

Par conséquent, et depuis que les paquebots ont disparu, le EcoClipper500 devient également une alternative à l’avion. Selon les résultats de l’analyse du cycle de vie, l’empreinte carbone des passagers du EcoClipper500 s’élève à 10 grammes par passager-kilomètre, contre environ 100 grammes par passager-kilomètre dans un avion. Le transport d’un passager produit donc autant d’émissions de carbone que le transport d’une tonne de fret.

Moteur ou pas?

Fait important, l’analyse du cycle de vie du EcoClipper500 suppose qu’il n’y a pas de moteur diesel à bord. Sur un voilier, un moteur diesel peut servir à deux fins, qui peuvent être combinées. Tout d’abord, il permet de propulser le navire lorsqu’il n’y a pas de vent ou lorsque les voiles ne peuvent pas être utilisées, par exemple en sortant d’un port ou en y entrant. Deuxièmement, combiné à un générateur, un moteur diesel peut produire de l’électricité pour la vie quotidienne à bord du navire.

Pendant la majeure partie de l’histoire, la consommation d’énergie à bord d’un voilier n’était pas trop problématique. Il y avait du bois à brûler pour la cuisson et le chauffage, et il y avait des bougies et des lampes à huile pour l’éclairage. Il n’y avait pas de réfrigérateurs pour le stockage des aliments, pas de douches ou de machines à laver pour la toilette et la lessive, pas d’instruments électroniques pour la navigation et la communication, pas de pompes électriques en cas de fuite ou d’incendie.

Cependant, nous avons maintenant des normes plus élevées en termes de sécurité, de santé, d’hygiène, de confort thermique et de commodités. Le problème est que ces normes plus élevées sont difficiles à atteindre lorsque le navire n’a pas de moteur qui fonctionne avec des combustibles fossiles. Les systèmes de chauffage modernes, les appareils de cuisson, les chaudières à eau chaude, les réfrigérateurs, les congélateurs, l’éclairage, l’équipement de sécurité et les instruments électroniques ont tous besoin d’énergie pour fonctionner.

Membre d’équipage du ‘Parma’ avec une maquette de son navire. Alan Villiers, 1932-33.

Les voiliers modernes utilisent souvent un moteur diesel pour fournir cette énergie (et pour propulser le navire si nécessaire). Un exemple est le Avontuur de Timbercoast, qui a un moteur de 300 CV (chevaux), un générateur de 20 kW (kilowatts), et un réservoir de carburant de 2330 litres. Les grands voiliers utilisés pour la formation et les navires de croisière ont plusieurs moteurs et générateurs à bord. Par exemple, le Brig Morningster (48m) dispose d’un moteur de 450 CV et de trois générateurs d’une capacité totale de 100 kW, tandis que le Bark Europa (56m) dispose de deux moteurs de 365 CV avec trois générateurs – et brûle des centaines de litres de carburant par jour.

Selon le mode de vie des gens à bord, les émissions de carbone par passager-km peuvent équivaloir, voire surpasser, celles d’un avion.

Évidemment, les émissions de carbone et autres polluants de ces moteurs doivent être pris en compte lors du calcul de l’empreinte environnementale d’un voyage à voile. Selon le mode de vie des gens à bord, les émissions de carbone par passager-km peuvent équivaloir, voire surpasser, celles d’un avion. Dans une moindre mesure, la consommation d’électricité à bord augmente également les émissions du transport de marchandises.

La consommation d’énergie à board d’un voilier

Le EcoClipper500 n’a pas de moteur diesel à bord, ce qui est une deuxième raison pour se concentrer sur ce navire. De toute évidence, un voilier sans moteur ne peut pas poursuivre son voyage quand il n’y a pas de vent. Ceci est facilement résolu à l’ancienne : le EcoClipper500 reste là où il est jusqu’à ce que le vent revienne. Un navire sans moteur a également besoin de remorqueurs – la quasi-intégralité brûlant des combustibles fossiles – pour entrer dans les ports et en sortir. Pour le EcoClipper500, ces services de remorqueurs représentent 0,3 g/t.km de l’empreinte carbone totale de 2 g/t.km (15%).

Sans moteur diesel, le navire doit également produire toute l’énergie nécessaire à bord à partir de sources d’énergie locales, et c’est la partie la plus difficile. Les énergies renouvelables sont intermittentes et ont une faible densité d’énergie par rapport aux combustibles fossiles, ce qui signifie qu’il faut plus d’espace pour produire une quantité donnée d’énergie – ce qui est plus problématique en mer qu’à terre.

Renouvellement du calfatage sur la poupe du ‘Parma’. Alan Villiers, 1932-33.

Pour rendre le EcoClipper500 autosuffisant en termes de consommation d’énergie, une première décision de conception a été d’utiliser autre chose que de l’électricité comme source d’énergie à chaque fois que possible. Ceci est particulièrement important pour la chaleur haute température, qui ne peut être fournie par des pompes à chaleur électriques. Le navire aura un poêle à granulés à bord pour assurer le chauffage des locaux, ainsi qu’un biodigesteur – jamais utilisé auparavant sur un navire – pour convertir les déchets humains et de cuisine en gaz pour la cuisson. L’isolation thermique du navire est une autre priorité.

Néanmoins, même avec le poêle à granulés et le biodigesteur (qui ont eux-mêmes besoin d’électricité pour fonctionner), et avec l’isolation thermique, la demande d’énergie sur le navire peut monter jusqu’à 50 kilowatt-heures (kWh) d’électricité par jour (consommation moyenne d’énergie de 2 kW). Il s’agit d’un scénario de « pire des cas de fonctionnement normal », lorsque le navire navigue par temps froid avec 60 personnes à bord. La consommation d’énergie sera plus faible par temps chaud et/ou lorsque moins de personnes seront embarquées. En cas d’urgence, les besoins en puissance peuvent s’élever à 8 kW, tandis que plus de 24 kWh d’énergie peuvent être nécessaires en seulement trois heures.

Hydrogénérateurs

Comment produire cette énergie ? Les panneaux solaires et les éoliennes ne sont qu’une petite partie de la solution. Produire 50 kWh d’énergie par jour nécessiterait au moins 100 mètres carrés de panneaux solaires, pour lesquels il y a peu d’espace sur un voilier de 60 m de long. La vulnérabilité aux éléments et l’ombrage par les voiles sont des problèmes additionnels. Les éoliennes peuvent être fixées dans le gréement, mais leur puissance est également limitée. Le faible potentiel de l’énergie solaire et éolienne est démontré par le voilier Avontuur mentionné précédemment. Il a un générateur de 20 kW, alimenté par le moteur diesel, mais seulement 2,1 kW de panneaux solaires et 0,8 kW d’éoliennes.

L’hydrogénérateur est la seule source d’énergie renouvelable qui peut fournir à un grand voilier suffisamment d’énergie pour l’utilisation de technologies modernes à bord.

L’hydrogénérateur est la seule source d’énergie renouvelable qui peut fournir à un grand voilier suffisamment d’énergie pour l’utilisation de technologies modernes à bord. Les hydrogénérateurs sont fixés sous la coque et fonctionnent de façon opposée à une hélice de navire. Au lieu que ce soit l’hélice qui propulse le navire, le navire fait tourner l’hélice, qui elle-même entraîne un générateur, qui a son tour produit de l’électricité. Malgré son nom et son apparence, l’hydrogénérateur est en fait une forme d’énergie éolienne : les voiles propulsent les hélices. Évidemment, cela ne fonctionne que lorsque le navire navigue assez vite.

Ferlage d’une voile sur une des vergues principales du Parma. Alan Villiers, 1932-33.

L’EcoClipper500 sera équipé de deux grands hydrogénérateurs, pour lesquels Simons a calculé la puissance à différentes vitesses, en tenant compte du fait que la traînée supplémentaire qu’ils produisent ralentit quelque peu le navire. Il conclut que l’EcoClipper500 doit naviguer à une vitesse d’au moins 7,5 nœuds pour produire suffisamment d’électricité. À cette vitesse, les hydrogénérateurs produisent environ 2000 watts de puissance, ce qui équivaut à environ 50 kWh d’électricité par jour (24 heures de navigation).

À une vitesse inférieure de 4,75 nœuds, les générateurs produisent 350 watts, c’est-à-dire 8,4 kWh d’énergie sur une période de 24 heures – seulement 1/6e de l’énergie maximale requise. D’autre part, à des vitesses plus élevées, les hydrogénérateurs produisent plus d’énergie que nécessaire. À une vitesse de près de 10 nœuds ils fournissent 120 kWh/jour, à une vitesse de 12 nœuds cela donne 182 kWh/jour – 3,5 fois plus que nécessaire.

Batteries à l’eau de mer

Selon sa vitesse surface, l’EcoClipper500 pourra naviguer à un peu plus de 16 nœuds en vitesse de pointe – soit le double de la vitesse minimale requise pour générer suffisamment de puissance. Atteindre cette vitesse sera rare, car cela nécessite une mer calme et des vents forts dans la bonne direction. Néanmoins, dans de bonnes conditions de vent, le voilier navigue facilement à une vitesse suffisante pour produire toute l’électricité nécessaire à son bord.

De bonnes conditions de vent peuvent durer des jours, en particulier sur les océans, où les vents sont plus puissants et prévisibles que sur terre. Cependant, ils ne sont pas garantis, et le navire naviguera également à des vitesses inférieures, ou se retrouvera dans des conditions de vent nul – où les hydrogénérateurs sont aussi inutiles que les panneaux solaires au milieu de la nuit.

Parce qu’il n’a pas de moteur, l’EcoClipper500 fait face à un double problème lorsqu’il n’y a pas de vent : il ne peut pas poursuivre son voyage, et il n’a pas d’énergie pour maintenir la vie à bord.

Parce qu’il n’a pas de moteur, l’EcoClipper500 fait face à un double problème lorsqu’il n’y a pas de vent : il ne peut pas poursuivre son voyage, et il n’a pas d’énergie pour maintenir la vie à son bord. Le premier problème est facilement résolu, mais le second ne l’est pas. La vie à bord continue, et il y a donc un besoin continu d’énergie. Pour ce faire, le navire a besoin de la stocker.

Pour couvrir les besoins pendant trois jours à la dérive par temps froid, un stockage d’énergie de 150 kWh serait nécessaire, sans tenir compte des pertes de charge et décharge. Cinq ou sept jours de consommation d’énergie à bord nécessiteraient de 250 à 350 kWh de stockage. Pour une utilisation d’urgence, un autre stockage d’énergie de 25 kWh serait nécessaire.

Brossage du pont du ‘Parma’. Alan Villiers, 1932-33.

Le fait de ne pas avoir de moteur, de générateur et de réservoir de carburant permet d’économiser de l’espace à bord, mais cet avantage peut être rapidement perdu lorsqu’on commence à ajouter des batteries pour les hydrogénérateurs. Les batteries lithium-ion sont très compactes, mais elles ne peuvent pas être considérées comme durables et posent des risques de sécurité. C’est pourquoi Jorne Langelaan et Andrew Simons voient – très pertinemment – plus de potentiel dans les batteries à l’eau de mer, qui sont non-inflammables, non toxiques, faciles à recycler, ont une grande tolérance vis-à-vis des températures et peuvent durer plus de 15 ans. Comme le biodigesteur, elles n’ont jamais été utilisées sur un voilier auparavant.

Contrairement aux batteries lithium-ion, les batteries à l’eau de mer sont volumineuses et lourdes. Avec une capacité de stockage de 60 kg par kWh, un bloc de batteries de 150 kWh ajouterait un poids de 9 tonnes, tandis qu’une capacité de stockage de 350 kWh ajouterait 21 tonnes. Néanmoins, cela se compare favorablement à la capacité totale de chargement (500 tonnes), et les batteries peuvent servir de ballast si elles sont placées dans la partie basse de la coque du navire. Les exigences en matière d’espace ne sont pas trop problématiques non plus. Même un stockage d’énergie de 350 kWh ne nécessite que 14 à 29 m3, ce qui est faible par rapport aux 880m3 de volume de fret (1,5 à 3%).

Les émissions produites par la fabrication des hydrogénérateurs, du biodigesteur et des batteries ne sont pas incluses dans l’analyse du cycle de vie du navire car il n’y a pas de données disponibles. Toutefois, ces émissions doivent être relativement faibles. Les hydrogénérateurs ont une densité de puissance beaucoup plus élevée que les éoliennes, et donc une énergie intrinsèque relativement faible (énergie nécessaire à la fabrication des produits). Un rapide calcul de coin de table nous apprend que l’empreinte carbone des batteries à l’eau de mer de 350 kWh est d’environ 70 tonnes de CO2 (6% de l’empreinte carbone totale). ⁷

Puissance humaine

Il y a une autre source d’énergie renouvelable et de stockage d’énergie à bord de l’EcoClipper, et ce sont les êtres humains eux-mêmes. Comme le poêle à granulés et le biodigesteur, l’utilisation de l’énergie humaine pourrait réduire le besoin d’électricité. De nos jours, les cargos et la plupart des grands voiliers ont des treuils électriques ou hydrauliques, des pompes et un appareil à gouverner, économisant ainsi de la main-d’œuvre manuelle au détriment d’une consommation d’énergie plus élevée. En revanche, l’EcoClipper s’en tient autant que possible à la manutention manuelle du navire.

Equipage au cabestant du Parma, relevant l’ancre. Alan Villiers, 1932-33.

Simons et Langelaan envisagent également l’ajout de quelques « rameurs », couplés à des générateurs, pour produire de l’énergie d’urgence. Deux rameurs pourraient fournir environ 400 watts de puissance. S’ils sont exploités 24 heures sur 24 par quarts, ils pourraient fournir au navire 9,6 kWh d’énergie supplémentaires par jour (sans tenir compte des pertes d’énergie) – un cinquième de la consommation maximale totale d’électricité.

D’ailleurs, comme je l’ai dit à Simons et Langelaan, dix rameurs en action continuellement par quarts fourniraient autant de puissance que les hydrogénérateurs à une vitesse de 7,5 nœuds. S’il y a 60 personnes à bord, et que tout le monde produit de l’électricité à peine une heure par jour, aucun hydrogénérateur ni batterie ne serait nécessaire. « Une pensée très intéressante », répond Simons, « mais quelle impression donnerions-nous ? »

Douches chaudes ?

Même avec un biodigesteur, des hydrogénérateurs, des batteries et des rameurs, les passagers et l’équipage à bord de l’EcoClipper500 seraient loin de baigner dans le luxe, et ce serait peut-être trop peu confortable pour certains. Par exemple, si 60 personnes à bord du navire prennent une douche chaude quotidienne – qui nécessite en moyenne 2,1 kilowattheures d’énergie et 76,5 litres d’eau sur terre – la consommation totale d’électricité par jour serait de 126 kWh, soit plus du double de l’énergie produite par le navire à une vitesse de 7,5 nœuds.

Le navire pourrait fournir cette énergie à une vitesse de navigation plus élevée, mais il y aurait également un besoin de 4590 litres d’eau par jour, une quantité qui ne pourrait être produite qu’à partir d’eau de mer – un processus qui nécessite beaucoup d’énergie. Même un équipage de 12 personnes prenant une douche chaude quotidienne aurait besoin de 25,2 kWh d’énergie par jour, soit la moitié de ce que les hydrogénérateurs produisent à une vitesse de navigation de 7,5 nœuds. Le Bark Europa est le seul voilier mentionné dans cet article qui a des douches chaudes dans chaque cabine (partagée), mais c’est aussi le navire avec les plus gros générateurs et la plus forte consommation de carburant.

En tête de gaillard avant sur le Parma par beau temps. Image de Alan Villiers, 1932.

Andrew Simons : « Sur l’EcoClipper500, il doit y avoir un compromis raisonnable entre la consommation d’énergie et le confort. La consommation d’énergie à bord devra être activement gérée. Les ressources sont limitées, tout comme pour la planète. À bien des égards, le navire est un microcosme de défis auxquels le monde entier doit faire face et trouver des solutions.

Jorne Langelaan: « En mer, vous êtes dans un monde différent. Il importe peu si vous pouvez prendre une douche quotidienne ou non. Ce qui compte, ce sont les gens, les mouvements du navire, et le vaste désert de l’océan autour de vous ».

Utiliser les bonnes mesures

Cet article a jusqu’à présent comparé le voilier EcoClipper500 avec porte-conteneur, vraquier et avion moyens en termes d’émissions par tonne ou passager-kilomètre. Toutefois, ces valeurs sont des abstractions qui voilent des informations beaucoup plus importantes : les émissions totales produites par tous les passagers et toutes les cargaisons, sur tous les kilomètres.

Le commerce international de fret maritime est passé de 4 milliards de tonnes de cargo en 1990 à 11,2 milliards de tonnes en 2019, ce qui a entraîné plus de 1 milliard de tonnes d’émissions. Le nombre de passagers aériens internationaux est passé de 1 milliard en 1990 à 4,5 milliards en 2019, ce qui a entraîné 915 millions de tonnes d’émissions. Par conséquent, la réduction des émissions par tonne et par passager-kilomètre n’est ni une nécessité ni une garantie pour réduire les émissions totales.

Si nous divisons par plus de cinq le trafic international de fret et par plus de dix le trafic de passagers, les émissions de tous les porte-conteneurs et avions seraient inférieures aux émissions de tous les voiliers transportant 11,2 milliards de tonnes de fret et 4,5 milliards de passagers. Inversement, si nous passons aux voiliers, mais que nous continuons à transporter de plus en plus de marchandises et de passagers à travers la planète, nous finirons par produire autant d’émissions qu’aujourd’hui avec le transport alimenté par des combustibles fossiles.

Le mât de misaine ‘Grace Harwar’; vue vers l’arrière depuis les barres de mât principales. Alan Villiers, 1932-33.

Bien sûr, rien de tout cela n’arrivera jamais. La quantité de fret échangée à travers les océans en 2019 équivaut à la capacité de fret de 22,4 millions EcoClippers. En supposant que le EcoClipper500 peut faire 2-3 voyages par an, nous aurions besoin de construire et d’exploiter au moins 7,5 millions de navires, avec un équipage total d’au moins 90 millions de personnes. Ces navires ne pourraient embarquer que 0,5 milliard de passagers (12 passagers et 8 stagiaires par navire), nous aurions donc besoin de millions de navires et de membres d’équipage supplémentaires pour remplacer le trafic aérien international.

Nous ne devrions pas nous laisser berner par des mesures relatives abstraites, qui ne servent qu’à maintenir l’accent sur la croissance et l’efficacité.

Tout cela est techniquement possible et, comme nous l’avons vu, cela produirait moins d’émissions que les alternatives actuelles. Toutefois, il est plus probable qu’un passage aux voiliers s’accompagne d’une diminution du trafic de fret et de passagers, et cela est en lien direct avec la vitesse et l’échelle des choses. Beaucoup de marchandises et de passagers ne voyageraient pas sans les vitesses élevées et les faibles coûts des avions et des porte-conteneurs d’aujourd’hui.

Il serait peu logique de transporter des pièces d’iPhone, des marchandises Amazon, des vêtements d’ateliers de misère, ou des voyageurs intensifs avec des voiliers. Un voilier est plus qu’un moyen de transport technique : il implique une autre vision de la consommation, de la production, du temps, de l’espace, des loisirs et des voyages. Par exemple, beaucoup de marchandises se déplace maintenant dans des endroits différents pour chaque étape de traitement avant d’être livré comme produit terminé. En revanche, toutes les compagnies de fret maritime mentionnées dans cet article ne transportent que des marchandises qui ne peuvent pas être produites localement, et qui font un voyage du producteur au consommateur. ⁸

Cela signifie également que même si les voiliers ont des moteurs diesel à bord, ils entraîneraient toujours une diminution significative des émissions totales pour le trafic de fret et de passagers, simplement parce qu’ils réduiraient le nombre absolu de passagers, de marchandises et de kilomètres. Nous ne devrions pas nous laisser berner par des mesures relatives abstraites, qui ne servent qu’à maintenir l’accent sur la croissance et l’efficacité.

Kris De Decker

Cette traduction a également été publiée sur Changement climatique et énergie.

En savoir plus sur EcoClipper500. La plupart des images: Alan Villiers collection.

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Sources:

Entre 1978 et 2004, l’Avontuur a été exploité comme voilier cargo sous le Commandement de Paul Wahlen. L’Apollonia, construit en 1946, est un autre voilier cargo en service depuis 2014. Il a une longueur de 19,5 mètres et peut transporter 10 tonnes de marchandises. ↩
Très récemment, Grain de Sail a été construit et lancé pour le transport transatlantique de vin et de cacao. C’est un voilier moderne sans moteur, construit en aluminium, et pouvant emporter 35 tonnes de fret. ↩
Andrew Simons: « Il y a beaucoup de voiliers historiques, mais ils sont soit très coûteux à mettre en service en tant que voilier cargo conforme à la réglementation – car ils sont encore utilisés à d’autres fins – soit ils ne conviennent pas. » ↩
Malheureusement le coin de table a disparu (NdT : la note a plus de sens en Anglais, langue original de l’article, car l’expression veut qu’on fasse le calcul “au dos d’une enveloppe” et la note dit que “l’enveloppe a malheureusement disparu). ↩
Dans le case de EcoClipper, la plupart des émissions sont produites durant la construction du navire, alors que dans les cas des vraquiers et porte-conteneurs, elles sont principalement produites durant l’opération du navire et la production du carburant. ↩
Les plus grand porte-conteneurs peuvent aujourd’hui embarquer 190000 tonnes de marchandises. ↩
Il n’y a pas beaucoup de données disponibles sur les batteries à l’eau de mer, mais elles sont moins exigeantes en énergie lors de la fabrication que beaucoup d’autres types de batteries. Le calcul est basé sur une estimation de capacité de stockage de 66 kg CO2/kWh et de trois générations de batteries sur une période de 50 ans. ↩
Presque un tiers de toute la marchandise transportée sont des carburants fossiles. ↩
La recherche est basée sur une analyse typique de cycle de vie, mais notez que ce n’est pas une étude revue par des pairs. ↩