L’initiative du MIT pour l’énergie accorde huit subventions de fonds d’amorçage pour les premières étapes de la recherche sur l’énergie du MIT

Huit personnes et équipes du MIT ont récemment reçu des subventions de 150 000 dollars dans le cadre du programme de fonds d’amorçage du MIT Energy Initiative (MITEI) pour soutenir des recherches prometteuses dans le domaine des énergies nouvelles.

Ce programme annuel hautement compétitif a reçu un total de 82 propositions de 88 chercheurs représentant 17 départements, laboratoires et centres du MIT. Les demandes, qui provenaient de diverses disciplines, visent toutes à faire progresser un système énergétique à faible teneur en carbone et à relever les principaux défis climatiques.

« L’ampleur des propositions de recherche créatives et interdisciplinaires que nous avons reçues reflète véritablement l’intérêt croissant que porte l’Institut à la réduction des effets du changement climatique », déclare le directeur du MITEI, Robert C. Armstrong, professeur titulaire de la chaire Chevron de génie chimique. Il a également noté qu’un grand nombre de propositions se concentraient sur le stockage de l’énergie, ce qui signifie que ces technologies joueront un rôle central dans la décarbonisation profonde.

Les projets gagnants porteront sur des sujets allant des réseaux intelligents résistants aux ouragans et des quartiers à émissions nulles aux nouvelles batteries à faible coût pour le stockage de l’énergie au niveau du réseau.

Construire des réseaux intelligents résistants aux ouragans

En 2017, l’ouragan Maria a laissé plus d’un million de Portoricains sans électricité – dont beaucoup n’ont retrouvé le courant que des mois plus tard. Alors que les ouragans plus violents deviennent de plus en plus fréquents, les conditions météorologiques extrêmes s’avèrent être une menace critique croissante pour les réseaux électriques et les infrastructures énergétiques.

Kerry Emanuel et Saurabh Amin, lauréats du premier fonds d’amorçage, ont pour objectif de développer une approche de conception fondamentale pour la construction de réseaux intelligents résistants aux ouragans. Ils combineront leur expertise en matière de physique des ouragans et de contrôle des réseaux électriques pour développer de nouvelles stratégies qui peuvent considérablement augmenter la résilience des réseaux électriques et permettre un rétablissement plus rapide du service.

« L’objectif est de réduire les dommages globaux au réseau et d’éviter les pannes prolongées après les tempêtes en intégrant des stratégies d’allocation stratégique des ressources et de contrôle des micro-réseaux », explique Emanuel, le professeur Cecil et Ida Green du département des sciences de la terre, de l’atmosphère et des planètes.

« Contrairement à un réseau centralisé traditionnel qui dépend d’un approvisionnement fiable en électricité en vrac, notre approche de conception tient compte des taux de défaillance incertains des composants du réseau dus aux vents et aux inondations dus aux ouragans, et tire parti de la flexibilité permise par les ressources énergétiques distribuées, comme les micro-réseaux reconfigurables, les énergies renouvelables localisées et les dispositifs de stockage », ajoute Amin, professeur associé au département de génie civil et environnemental et membre du laboratoire des systèmes d’information et de décision.

Cette recherche interdisciplinaire est prometteuse pour faire progresser la science de la gestion des risques climatiques et aider les agences gouvernementales et les services énergétiques à travailler ensemble pour développer des stratégies opérationnelles flexibles en prévision de futures tempêtes.

L’auto-assemblage biologique pour améliorer la catalyse

Selon Ariel Furst, professeur adjoint au département de génie chimique, 500 gigatonnes de dioxyde de carbone (CO₂) devraient être produites à partir de la transformation industrielle et des combustibles fossiles au cours des cinq prochaines décennies. Un moyen important de réduire l’empreinte carbone de l’un de ces principaux émetteurs – la transformation industrielle – consiste à transformer le CO₂ en produits utiles.

La première étape de ce processus de transformation consiste à réduire les émissions de CO₂ au monoxyde de carbone par une méthode telle que l’électrocatalyse. Cette réaction – dans laquelle un catalyseur à petite molécule interagit avec une électrode – peut souvent être imprécise et limitée. Dans cette optique, Mme Furst prévoit d’utiliser sa subvention de démarrage pour étudier comment l’emplacement spécifique des catalyseurs à petites molécules affecte l’efficacité catalytique du CO₂ réduction.

« Nous offrons une perspective unique à ces travaux en combinant la puissance inhérente de la biologie avec ces transformations électrocatalytiques », déclare M. Furst, qui est à la fois un nouveau membre de la faculté du MIT et le premier bénéficiaire d’une subvention de démarrage.

Elle utilisera des nanostructures auto-assemblées composées d’acides désoxyribonucléiques (ADN) pour contrôler le positionnement précis des catalyseurs moléculaires sur les surfaces des électrodes. Cette recherche lui permettra d’évaluer les effets spatiaux sur l’efficacité catalytique, à partir desquels elle pourra extrapoler des paramètres de conception qui pourront être appliqués à d’autres classes de catalyseurs à l’avenir.

Conception rapide de matériaux pour les batteries à semi-conducteurs

Une autre équipe, qui en est à sa première participation à un fonds d’amorçage, utilisera sa subvention pour développer un processus synthétique automatisé afin d’accélérer la découverte, la conception et la construction de nouveaux composants en céramique pour les batteries lithium-ion à semi-conducteurs (SSB), qui ont le potentiel d’accroître la sécurité et l’efficacité énergétique par rapport aux batteries à électrolyte liquide plus classiques.

L’un des principaux défis de la mise en œuvre des SSB est la nécessité d’une température de fabrication élevée de la céramique pour fabriquer les composants clés, ce qui entraîne une synthèse longue et coûteuse qui ne se traduit pas facilement par une fabrication industrielle pertinente. Afin de surmonter cet obstacle, l’équipe a identifié le potentiel d’un processus à basse température pour synthétiser les composants céramiques.

L’équipe interdisciplinaire est composée d’un céramiste des matériaux, Thomas Lord, du professeur associé Jennifer Rupp des départements de science et d’ingénierie des matériaux (DMSE) et de génie électrique et informatique (EECS), d’un expert en automatisation, le professeur Wojciech Matusik de EECS, et d’un expert en informatique des matériaux, Elsa Olivetti du DMSE, professeur associé d’études énergétiques à Atlantic Richfield.

Tirant parti de leur expertise distincte, l’équipe de recherche travaillera avec les étudiants pour coupler les techniques d’apprentissage machine et la synthèse automatisée afin de réviser le traitement des céramiques et de permettre un criblage rapide des matériaux, la conception des dispositifs et l’analyse des données pour l’ingénierie des performances.

« Ce travail a le potentiel de modifier fondamentalement la façon dont la recherche est menée dans le domaine des batteries », déclare M. Rupp. « La voie à plus haut débit permettra de faire plus de découvertes en moins de temps et permettra aux chercheurs de se concentrer sur la modification de la conception des batteries en vue de leur performance ».

Depuis sa création en 2008, le programme de fonds d’amorçage du MITEI a soutenu 185 projets de recherche énergétique en phase de démarrage grâce à des subventions totalisant 24,9 millions de dollars. Ce financement provient principalement des membres fondateurs et des membres de soutien de MITEI, complété par les dons de généreux donateurs.

Les bénéficiaires des subventions du Fonds d’amorçage MITEI 2020 sont les suivants :

• « Construire des réseaux intelligents résistants aux ouragans : Optimal Resource Allocation and Microgrid Operation » – Kerry Emanuel du département des sciences de la terre, de l’atmosphère et des planètes et Saurabh Amin du département du génie civil et environnemental ;
• « Des électrocatalyseurs à nanostructure d’ADN mobilisés pour une meilleure efficacité de réduction du CO2 » – Ariel Furst du département de génie chimique ;
• « Enabling High-Energy Li/Li-Ion Batteries Through Active Interface Repair » – Betar Gallant du département de génie mécanique ;
• « Batterie aluminium-soufre extrêmement peu coûteuse fonctionnant à moins de 100 degrés Celsius pour le stockage de l’énergie au niveau du réseau » – Donald Sadoway du département de science et d’ingénierie des matériaux ;
• « Low-Cost Negative Emissions From Concentration Swing Absorption » – Jeffrey Grossman du Département de la science et de l’ingénierie des matériaux ;
• « Découverte rapide de matériaux pour les batteries à l’état solide : Coupler le traitement à faible coût avec le criblage des matériaux et l’optimisation des performances grâce à l’apprentissage machine » – Jennifer Rupp du département de science et d’ingénierie des matériaux, Wojciech Matusik du département de génie électrique et informatique, et Elsa Olivetti du département de science et d’ingénierie des matériaux ;
• « Sorption Enhanced Steam Methane Reforming With Molten Sorbents for Clean Hydrogen Production » – T. Alan Hatton du Département de génie chimique ; et
• « Vers des quartiers sans émissions : A Novel Building-Grid Optimization Framework » – Audun Botterud du Laboratoire des systèmes d’information et de décision et Christoph Reinhart du Département d’architecture.