Comment des chercheurs optimisent la conversion de chaleur en électricité

Les dispositifs de conversion de la chaleur en électricité se rapprochent de leur efficacité maximale théorique, rendant leur utilisation sur le réseau de plus en plus envisageable, selon une recherche de l’Université du Michigan.

Les batteries thermiques pourraient stocker l’énergie renouvelable intermittente pendant les heures de production maximale, en s’appuyant sur une version thermique des cellules solaires pour la convertir en électricité ultérieurement.

« Alors que nous intégrons des fractions plus élevées de renouvelables sur le réseau pour atteindre les objectifs de décarbonation, nous avons besoin de coûts plus bas et de durées de stockage d’énergie plus longues, car l’énergie générée par le solaire et l’éolien ne correspond pas aux moments où elle est utilisée », explique Andrej Lenert, professeur associé de génie chimique à l’Université du Michigan et auteur correspondant de l’étude récemment publiée dans Joule.

Fonctionnement des cellules thermophotovoltaïques

Les cellules thermo-photovoltaïques fonctionnent de manière similaire aux cellules photovoltaïques, communément appelées cellules solaires. Les deux convertissent le rayonnement électromagnétique en électricité, mais les thermo-photovoltaïques utilisent les photons infrarouges de plus faible énergie plutôt que les photons de lumière visible de plus haute énergie.

Leur nouveau dispositif affiche une efficacité de conversion de puissance de 44 % à 1435°C, dans la plage cible pour le stockage d’énergie à haute température existant (1200°C-1600°C). Cela dépasse les 37 % atteints par les conceptions précédentes dans cette gamme de températures.

« C’est une forme de batterie, mais très passive. Vous n’avez pas besoin d’extraire du lithium comme pour les cellules électrochimiques, ce qui signifie que vous n’avez pas à concurrencer le marché des véhicules électriques. Contrairement au pompage de l’eau pour le stockage d’énergie hydroélectrique, vous pouvez la placer n’importe où et n’avez pas besoin d’une source d’eau à proximité », indique Stephen Forrest, professeur distingué de génie électrique à l’Université du Michigan et auteur contributeur de l’étude.

Dans une batterie thermique, les thermo-photovoltaïques entoureraient un bloc de matériau chauffé à une température d’au moins 1000°C. Cette température pourrait être atteinte en faisant passer de l’électricité provenant d’une ferme éolienne ou solaire à travers une résistance ou en absorbant l’excès de chaleur provenant de l’énergie solaire thermique ou de la production d’acier, de verre ou de béton.

Optimisation des matériaux semi-conducteurs

Le matériau de stockage chauffé émet des photons thermiques avec une gamme d’énergies. À 1435°C, environ 20-30 % de ces photons ont suffisamment d’énergie pour générer de l’électricité dans les cellules thermo-photovoltaïques de l’équipe. L’optimisation du matériau semi-conducteur, qui capture les photons, a été cruciale pour élargir ses énergies préférées tout en s’alignant avec les énergies dominantes produites par la source de chaleur.

La source de chaleur produit également des photons au-dessus et en dessous des énergies que le semi-conducteur peut convertir en électricité. Sans une ingénierie minutieuse, ceux-ci seraient perdus.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont intégré une fine couche d’air dans la cellule thermo-photovoltaïque juste au-delà du semi-conducteur et ajouté un réflecteur en or au-delà de l’espace d’air, une structure qu’ils appellent un pont d’air. Cette cavité a aidé à piéger les photons avec les bonnes énergies pour qu’ils pénètrent dans le semi-conducteur et renvoyaient le reste dans le matériau de stockage de chaleur, où l’énergie avait une autre chance d’être réémise sous forme de photon que le semi-conducteur pouvait capturer.

« Contrairement aux cellules solaires, les cellules thermophotovoltaïques peuvent récupérer ou recycler les photons qui ne sont pas utiles », précise Bosun Roy-Layinde, doctorant en génie chimique à l’Université du Michigan et premier auteur de l’étude.

Perspectives d’avenir

Une étude récente a révélé que l’empilement de deux ponts d’air améliore la conception, augmentant à la fois la gamme de photons convertis en électricité et la plage de températures utiles pour les batteries thermiques.

« Nous n’avons pas encore atteint la limite d’efficacité de cette technologie. Je suis convaincu que nous dépasserons les 44 % et que nous atteindrons les 50 % dans un avenir pas trop lointain », conclut pour sa part Stephen Forrest, également professeur de génie électrique et informatique, de science et ingénierie des matériaux, et de physique.

Article : « High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells » – DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.05.002