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.
Plus de 90 % de l’électricité mondiale provienent 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. 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.
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.
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.
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 %.
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 ».
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
