Des ingénieurs du MIT et du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont conçu un moteur thermique sans pièces mobiles. Leurs nouvelles démonstrations montrent qu’il convertit la chaleur en électricité avec un rendement de plus de 40 % – un rendement supérieur à celui des turbines à vapeur traditionnelles.
Le moteur thermique est une cellule thermophotovoltaïque (TPV), semblable aux cellules photovoltaïques d’un panneau solaire, qui capte passivement les photons à haute énergie d’une source de chaleur chauffée à blanc et les convertit en électricité. La conception de l’équipe peut générer de l’électricité à partir d’une source de chaleur de 1 900 à 2 400 degrés Celsius.
Les chercheurs prévoient d’intégrer la cellule TPV dans une batterie thermique à l’échelle du réseau. Le système absorberait l’énergie excédentaire provenant de sources renouvelables, comme le soleil, et la stockerait dans des bancs de graphite chauds fortement isolés. Lorsque l’énergie est nécessaire, par exemple par temps couvert, les cellules TPV convertissent la chaleur en électricité et l’acheminent vers un réseau électrique.
Avec la nouvelle cellule TPV, l’équipe a maintenant démontré avec succès les principaux éléments du système dans des expériences séparées à petite échelle. Elle s’efforce d’intégrer ces éléments pour démontrer un système entièrement opérationnel. À partir de là, ils espèrent mettre le système à l’échelle pour remplacer les centrales électriques alimentées par des combustibles fossiles et permettre la mise en place d’un réseau électrique entièrement décarboné, alimenté entièrement par des énergies renouvelables.
« Les cellules thermophotovoltaïques constituaient la dernière étape clé pour démontrer que les piles thermiques sont un concept viable« , explique Asegun Henry, titulaire de la chaire Robert N. Noyce Career Development au département de génie mécanique du MIT. « Il s’agit d’une étape absolument essentielle sur la voie de la prolifération des énergies renouvelables et du passage à un réseau entièrement décarboné.«
Henry et ses collaborateurs ont publié leurs résultats aujourd’hui dans la revue Nature. Parmi les coauteurs du MIT figurent Alina LaPotin, Kevin Schulte, Kyle Buznitsky, Colin Kelsall, Andrew Rohskopf et Evelyn Wang, titulaire de la chaire Ford d’ingénierie et directrice du département d’ingénierie mécanique, ainsi que des collaborateurs du NREL à Golden, dans le Colorado.
Combler le fossé
Plus de 90 % de l’électricité mondiale provient de sources de chaleur telles que le charbon, le gaz naturel, l’énergie nucléaire et l’énergie solaire concentrée. Depuis un siècle, les turbines à vapeur sont la norme industrielle pour convertir ces sources de chaleur en électricité.
En moyenne, les turbines à vapeur convertissent de manière fiable environ 35 % d’une source de chaleur en électricité, avec un rendement d’environ 60 %, ce qui représente le meilleur rendement de tous les moteurs thermiques à ce jour. Mais ces machines dépendent de pièces mobiles dont la température est limitée. Les sources de chaleur supérieures à 2 000 degrés Celsius, comme le système de batterie thermique proposé par Henry, seraient trop chaudes pour les turbines.
Ces dernières années, les scientifiques se sont penchés sur des solutions de rechange à l’état solide – des moteurs thermiques sans pièces mobiles, qui pourraient potentiellement fonctionner efficacement à des températures plus élevées.
« L’un des avantages des convertisseurs d’énergie à l’état solide est qu’ils peuvent fonctionner à des températures plus élevées avec des coûts de maintenance plus faibles car ils n’ont pas de pièces mobiles« , explique Henry. « Ils restent là et produisent de l’électricité de manière fiable ».
Les cellules thermophotovoltaïques ont constitué une voie exploratoire vers les moteurs thermiques à l’état solide. Tout comme les cellules solaires, les cellules TPV pourraient être fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs présentant une bande interdite particulière, c’est-à-dire l’écart entre la bande de valence et la bande de conduction d’un matériau. Si un photon d’une énergie suffisamment élevée est absorbé par le matériau, il peut propulser un électron à travers la bande interdite, où l’électron peut alors conduire, et ainsi générer de l’électricité, et ce sans déplacer de rotors ou de pales.
À ce jour, la plupart des cellules TPV n’ont atteint qu’un rendement d’environ 20 %, le record étant de 32 %, car elles ont été fabriquées à partir de matériaux à faible bande interdite qui convertissent les photons à basse température et à faible énergie, et convertissent donc l’énergie moins efficacement.
Capter la lumière
Dans leur nouvelle conception de TPV, Henry et ses collègues ont cherché à capturer des photons à haute énergie à partir d’une source de chaleur à haute température, convertissant ainsi l’énergie plus efficacement. Pour ce faire, la nouvelle cellule de l’équipe utilise des matériaux à bande interdite plus élevée et des jonctions multiples, ou couches de matériaux, par rapport aux modèles TPV existants.
La cellule est fabriquée à partir de trois régions principales : un alliage à bande interdite élevée, qui repose sur un alliage à bande interdite légèrement inférieure, sous lequel se trouve une couche d’or semblable à un miroir. La première couche capture les photons les plus énergétiques d’une source de chaleur et les convertit en électricité, tandis que les photons moins énergétiques qui traversent la première couche sont capturés par la seconde et convertis pour augmenter la tension générée. Tous les photons qui traversent cette deuxième couche sont ensuite réfléchis par le miroir et renvoyés vers la source de chaleur, au lieu d’être absorbés sous forme de chaleur perdue.
L’équipe a testé l’efficacité de la cellule en la plaçant au-dessus d’un capteur de flux thermique – un dispositif qui mesure directement la chaleur absorbée par la cellule. Ils ont exposé la cellule à une température élevée. Ils ont ensuite fait varier l’intensité de l’ampoule, ou la température, et ont observé comment l’efficacité énergétique de la cellule – la quantité d’énergie qu’elle produit par rapport à la chaleur qu’elle absorbe – changeait avec la température. Sur une plage de 1 900 à 2 400 degrés Celsius, la nouvelle cellule TPV a maintenu un rendement d’environ 40 %.
« Nous pouvons obtenir un rendement élevé sur une large gamme de températures pertinentes pour les piles thermiques« , explique M. Henry.
La cellule utilisée dans les expériences mesure environ un centimètre carré. Pour un système de piles thermiques à l’échelle d’un réseau, M. Henry prévoit que les cellules TPV devraient atteindre une surface d’environ 10 000 pieds carrés (environ un quart de terrain de football) et fonctionner dans des entrepôts à climat contrôlé pour tirer de l’énergie d’énormes banques d’énergie solaire stockée. Il souligne qu’il existe une infrastructure pour la fabrication de cellules photovoltaïques à grande échelle, qui pourrait également être adaptée à la fabrication de PVT.
« La technologie est sûre, respectueuse de l’environnement et de la santé publique. Cette technologie est sûre, sans danger pour l’environnement pendant son cycle de vie, et peut avoir un impact considérable sur la réduction des émissions de dioxyde de carbone dues à la production d’électricité.«
