Chaleur solaire à 1050°C : une solution pour les industries énergivores ?

L’utilisation de l’énergie solaire pour remplacer les combustibles fossiles dans la production de ciment et d’acier pourrait transformer l’industrie. Des chercheurs suisses ont mis au point un piège thermique capable d’absorber la lumière solaire concentrée et de fournir une chaleur dépassant les mille degrés Celsius.

Une innovation pour des températures extrêmes

La production de ciment, de métaux et de nombreux produits chimiques nécessite des températures extrêmement élevées, supérieures à mille degrés Celsius. Actuellement, cette chaleur est généralement obtenue par la combustion de combustibles fossiles tels que le charbon ou le gaz naturel, ce qui émet de grandes quantités de gaz à effet de serre. Le chauffage avec de l’électricité renouvelable n’est pas une alternative viable, car il serait inefficace à ces températures élevées.

Bien que notre économie et notre société devront devenir neutres en carbone dans les décennies à venir, ces processus industriels continueront probablement à être alimentés par des combustibles fossiles à court terme. Ils sont considérés comme difficiles à décarboner.

Une solution innovante développée en laboratoire

Des chercheurs de l’ETH Zurich ont démontré en laboratoire une méthode pour rendre ces industries indépendantes des combustibles fossiles. En utilisant le rayonnement solaire, ils ont conçu un dispositif capable de fournir la chaleur nécessaire aux processus de production.

L’équipe dirigée par Emiliano Casati, scientifique du groupe d’ingénierie des systèmes énergétiques et des procédés, et Aldo Steinfeld, professeur de transporteurs d’énergie renouvelable, a développé un piège thermique. Ce dispositif se compose d’une tige de quartz couplée à un absorbeur céramique qui, grâce à ses propriétés optiques, peut absorber efficacement la lumière solaire et la convertir en chaleur.

Lors de leurs expériences à l’échelle du laboratoire, l’équipe a utilisé une tige de quartz mesurant 7,5 centimètres de diamètre et 30 centimètres de longueur. Ils l’ont exposée à une lumière artificielle avec une intensité équivalente à 135 fois celle du soleil, atteignant des températures allant jusqu’à 1050 degrés Celsius. Des études antérieures menées par d’autres chercheurs avaient atteint un maximum de 170 degrés avec de tels pièges thermiques.

Technologies solaires à haute température

Les technologies de concentration solaire à grande échelle sont déjà établies à l’échelle industrielle pour la production d’énergie solaire, par exemple en Espagne, aux États-Unis et en Chine. Ces centrales fonctionnent généralement à des températures allant jusqu’à 600 degrés. À des températures plus élevées, les pertes de chaleur par rayonnement augmentent et réduisent l’efficacité des centrales. Un avantage majeur du piège thermique développé par les chercheurs de l’ETH Zurich est qu’il minimise les pertes de chaleur par rayonnement.

« Notre approche améliore considérablement l’efficacité de l’absorption solaire », ajoute Emiliano Casati. « Nous sommes donc convaincus que cette technologie soutient le déploiement de centrales solaires à haute température. »

Des analyses techniques et économiques détaillées sont encore en attente, précise-t-il. Une telle analyse dépasse le cadre de l’étude expérimentale actuelle, que les chercheurs ont publiée dans la revue scientifique Device.

Vers une décarbonation des industries énergivores

Le chercheur poursuit ses recherches pour optimiser le processus. La technologie pourrait un jour permettre d’utiliser l’énergie solaire non seulement pour générer de l’électricité, mais aussi pour décarboner les industries énergivores à grande échelle. « Pour lutter contre le changement climatique, nous devons décarboner l’énergie en général », conclut Emiliano Casati. « Les gens pensent souvent à l’énergie en termes d’électricité, mais nous utilisons en réalité environ la moitié de notre énergie sous forme de chaleur. »

Légende illustration : Le principal composant du piège thermique est un cylindre en quartz. Lors des expériences, il a atteint une température de 1 050 degrés Celsius et a brillé à cette chaleur (Photo : ETH Zurich / Emiliano Casati).

Casati E, Allgoewer L, Steinfeld A: Solar thermal trapping at 1,000°C and above. Device, 15. May 2024, doi: 10.1016/j.device.2024.100399