Solutions solaires : une approche bio-inspirée crée du photovoltaïque sur mesure
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Les panneaux photovoltaïques ne se résument pas aux matériaux qui les composent : leur conception elle-même peut également favoriser – ou potentiellement diminuer – l’adoption généralisée de la technologie solaire. Pour le dire franchement : la plupart des panneaux solaires ne sont pas très esthétiques. De plus, leur composition plate et non flexible signifie qu’ils ne peuvent être fixés que sur des structures tout aussi plates. Mais que se passerait-il si les panneaux photovoltaïques étaient plutôt un tissu léger et articulé, esthétiquement attrayant et capable d’envelopper des formes complexes, voire de déformer sa forme pour mieux absorber la lumière du soleil ?
C'est ainsi qu'est née l'idée d'HelioSkin, un projet interdisciplinaire dirigé par Jenny Sabin, professeure d'architecture Arthur L. et Isabel B. Weisenberger au College of Architecture, Art and Planning de l'Université Cornell, en collaboration avec Itai Cohen, professeur de physique au College of Arts and Sciences, et Adrienne Roeder, professeure à la Section de biologie végétale de l'École des sciences végétales intégratives, au College of Agriculture and Life Sciences et au Weill Institute for Cell and Molecular Biology.
« Ce qui nous passionne vraiment, c’est la façon dont le système pourrait non seulement produire de l’énergie de manière passive, mais aussi créer des environnements transformateurs dans des environnements urbains ou urbains-ruraux », a déclaré Sabin. « La durabilité est une question de performance et de fonctionnalité, mais elle est également une question de beauté et de susciter l’enthousiasme des gens pour qu’ils aient envie de participer. Le grand objectif est d’inspirer une adoption généralisée de l’énergie solaire pour un impact sociétal. »
Sabin, la première présidente du nouveau département multi-universitaire de Design Tech, a fait carrière en collaborant avec diverses disciplines et en s'inspirant non seulement de l'architecture, mais aussi de l'ingénierie. Et de la physique. Et des mathématiques. Et, peut-être plus important encore, de la biologie. Tous ses projets sont unis par la même question : comment les bâtiments et leurs systèmes matériels intégrés pourraient-ils se comporter davantage comme des organismes, en réagissant et en s'adaptant à leur environnement local ?
« La nature n’est pas efficace », a précisé Jenny Sabin. « Elle est résiliente, et la biologie joue un rôle à long terme, sur des échelles de temps beaucoup plus longues. De plus, il a été démontré que les plantes qui suivent le soleil présentent un avantage photosynthétique. Et nous pensons que c’est une façon assez puissante de penser la durabilité et la résilience dans l’architecture. »
Les intérêts de Jenny Sabin en matière de conception répondent à un besoin bien réel. Le principal problème convergent est que 40 % des émissions totales de gaz à effet de serre aux États-Unis proviennent des bâtiments, selon l'Agence internationale de l'énergie.
« En développant un nouveau produit de peau solaire évolutif, nous souhaitons faire bouger les choses en incitant les propriétaires et les entreprises à adopter l'énergie solaire pour réduire de 28 % les émissions de CO2 provenant du chauffage, de l'éclairage et de la climatisation des bâtiments », assure Jenny Sabin.
HelioSkin est né d'un partenariat entre Jenny Sabin et Mariana Bertoni, ingénieure en énergie à l'Université d'État de l'Arizona, qui est également membre de l'équipe HelioSkin.
Ensemble, ils ont combiné la conception informatique, la fabrication numérique et l'impression 3D pour créer des filtres personnalisés et des assemblages de panneaux photovoltaïques (ce que Sabin appelle une « angularité non standard ») qui pourraient simultanément améliorer l'absorption de la lumière et la beauté architecturale. La clé de cet effort a été d'étudier la mécanique de l'héliotropisme (la façon dont les tournesols suivent la lumière du soleil).
Pour HelioSkin, cette base de recherche s'est élargie pour inclure l'expertise de Roeder en héliotropisme et en morphogenèse cellulaire (c'est-à-dire la façon dont les cellules végétales se développent pour courber la plante vers le soleil) et la spécialisation de Cohen dans l'utilisation de méthodes géométriques telles que l'origami et le kirigami pour améliorer les performances mécaniques des métamatériaux, augmentant leur flexibilité tout en dépensant très peu d'énergie.
La plante Arabidopsis en fleurs est un modèle idéal pour HelioSkin car, en tant que « mouche à fruits du monde végétal » selon Adrienne Roeder, elle est facile à étudier au niveau cellulaire. Ces cellules jouent un rôle essentiel dans la modification de la courbure de la tige de la plante lorsqu'elle s'incline vers la lumière du soleil, les hormones de l'Arabidopsis provoquant l'expansion des cellules du côté sans soleil de 25 %, ce qui plie la tige à 90 degrés.
« Nous avons déjà compris comment traduire le mécanisme de suivi de nos cellules végétales dans le logiciel d'architecture de Jenny », a déclaré Adrienne Roeder. « Nous devons maintenant commencer à comprendre comment effectuer cette transition dans HelioSkin. »
« Le processus de conception centré sur l'humain »
L'objectif ultime est de générer une peau de collecte solaire à suivi mécanique pour les toits rétractables, les stades et les gratte-ciel, mais pour y parvenir, l'équipe lance un projet pilote de trois ans dans le cadre duquel elle crée de petits auvents solaires pour les arrière-cours, qui peuvent ensuite être étendus aux parcs urbains.
Transposer cette vision sur le marché implique non seulement une innovation scientifique et une conception intelligente, mais nécessite également des partenariats industriels, des capitaux et un plan marketing.
Le projet a été lancé dans le cadre du programme Convergence Accelerator de la National Science Foundation. Parmi les partenaires industriels figurent E Ink et Rainier Industries, qui contribuent à intégrer le photovoltaïque et le papier électronique dans un tissu architectural léger et extensible. SunFlex, une entreprise qui utilise la technologie des modules de contact arrière soudés au laser pour la fabrication de panneaux photovoltaïques, participe au perfectionnement des prototypes HelioSkin en phase 2 : la détection, le câblage, la disposition des panneaux, ainsi que la géométrie et le substrat.
D'ici la deuxième année du projet pilote, l'équipe prévoit de disposer d'un prototype d'auvent d'arrière-cour à grande échelle qui peut potentiellement fournir de la lumière et de l'électricité aux appareils extérieurs ; d'ici la troisième année, elle vise à être aux premiers stades de la commercialisation.
Dans le cadre de leur plan de commercialisation, l'équipe a mené une analyse marketing approfondie et des entretiens qui ont montré que le coût brut, le coût par watt et la capacité du système d'HelioSkin étaient compétitifs par rapport aux produits photovoltaïques existants.
« Ce fut un processus très encourageant et passionnant, qui nous a permis de nous comparer aux produits existants et de voir le potentiel dont nous disposons pour évoluer », a lancé Jenny Sabin. « Le processus de conception centré sur l'humain, qui implique des personnes issues de nombreux secteurs différents, des utilisateurs finaux aux parties prenantes potentielles en passant par les personnes qui travaillent pour le réseau électrique et l'État ou la région, a joué un rôle important dans notre processus et s'est avéré très utile. »
L'analyse a révélé des applications de niche que l'équipe n'avait pas envisagées au départ, comme les grandes entreprises commerciales qui souhaitent se lancer dans l'énergie solaire pour atteindre des émissions nettes nulles, mais qui sont également intéressées par l'affichage publicitaire ou le changement de motifs colorés pour des applications esthétiques. À cette fin, l'équipe travaille avec E Ink pour créer un HelioSkin doté de fonctions d'affichage réactives alimentées électriquement, afin que les skins solaires puissent être placés sur des structures de vente au détail et des stades et fonctionner comme des panneaux d'affichage en constante évolution.
« C'est ce qui ressort des entretiens », a déclaré Jenny Sabin. « Nous n'avions jamais pensé à ce type de candidature. »
L’un des avantages de travailler avec E Ink est que l’entreprise utilise l’impression rouleau à rouleau pour produire en masse des feuilles photovoltaïques, la même méthode qui rend possible la fabrication à faible coût de panneaux photovoltaïques à base de pérovskite .
« L'idée de base est d'essayer d'imprimer des choses en 2D, ce qui est peu coûteux, puis de les transformer en 3D, leur permettant de se courber autour des structures », a déclaré Cohen.
« Vous ne pouvez pas simplement prendre une feuille de papier ordinaire et emballer quelque chose. Il y aura toutes sortes de plis. Comme si vous essayez d'emballer une orange, vous obtenez tous ces plis."
« L'une des innovations que nous avons imaginées a consisté à découper le papier en un motif de panneaux et de charnières qui lui permet de s'étirer localement autour de ces objets ronds. Une deuxième stratégie que nous avons imaginée consiste à utiliser du tissu pour fabriquer la charnière. Le tissu est suffisamment souple pour vous donner ce comportement de charnière. »
Dans sa pratique d’architecture expérimentale, Sabin a passé plus de 15 ans à développer de grandes auvents et installations architecturales à l’échelle urbaine, une expérience qui lui a bien servi lors du lancement d’un produit.
« L'accent est mis sur la commercialisation et le développement de plans de gestion de la propriété intellectuelle. En tant que designer, j'ai une pratique et je trouve cela très intéressant », a déclaré Sabin. « Mais c'est aussi complètement nouveau pour la plupart de mes collaborateurs. Ils ne pensent pas nécessairement à ce niveau d'application et à la création d'un produit. La courbe d'apprentissage autour de cela est donc assez raide pour nous tous. »
C'est la capacité à collaborer entre différentes disciplines qui a attiré Sabin à Cornell en 2011. C'est un endroit où « tout le monde a sa porte ouverte », a-t-elle souligné. L'enthousiasme et les possibilités d'impact sont palpables.
« En fin de compte, nous sommes à New York, la Mecque du solaire », a-t-elle déclaré. « Il se passe donc beaucoup de choses, à la fois en termes de recherche innovante, mais aussi en termes de systèmes appliqués, d'agriculture et d'agrivoltaïque, de fermes solaires, etc. Cette communauté dynamique de personnes qui travaillent activement sur un ensemble commun d'objectifs, de questions et de problèmes est également très enthousiasmante pour nous. »