Le moteur thermique récemment mis au point est une cellule thermophotovoltaïque qui capte les photons à haute énergie d’une source de chaleur chauffée à blanc et les convertit en électricité avec une efficacité de plus de 40 % – une performance supérieure à celle des turbines à vapeur traditionnelles.
Une cellule thermophotovoltaïque (taille 1 x 1 cm) montée sur un dissipateur thermique conçu pour mesurer l’efficacité des cellules TPV. Crédit photo : Felice Frankel.
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.
Pendant un siècle, les turbines à vapeur ont été 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 environ 60% représentant le rendement le plus élevé 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 nouveau système de batterie thermique, seraient trop chaudes pour les turbines.
Ces dernières années, les scientifiques ont étudié des alternatives 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. Ils restent là et produisent de l’électricité de manière fiable”, a déclaré le professeur Asegun Henry, chercheur au département d’ingénierie mécanique du MIT.
Les cellules thermophotovoltaïques (TPV) constituent 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 – 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 que des rendements d’environ 20 %, le record étant de 32 %, car elles ont été fabriquées à partir de matériaux à bande interdite relativement faible qui convertissent des photons à basse température et à faible énergie, et convertissent donc l’énergie moins efficacement.
Dans leur nouvelle conception de TPV, le professeur Henry et ses collègues ont cherché à capturer des photons à plus haute énergie à partir d’une source de chaleur à plus haute température, convertissant ainsi l’énergie plus efficacement.
La nouvelle cellule utilise pour cela des matériaux à bande interdite plus élevée et des jonctions multiples, ou couches de matériaux, par rapport aux conceptions TPV existantes.
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 de plus haute énergie d’une source de chaleur et les convertit en électricité, tandis que les photons de plus basse énergie 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.
Les chercheurs ont 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 lampe à haute température et ont concentré la lumière sur la cellule.
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, comparée 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 une efficacité d’environ 40 %.
“Nous pouvons obtenir un rendement élevé sur une large gamme de températures pertinentes pour les piles thermiques”, a déclaré le professeur Henry.
Les travaux de l’équipe ont été publiés dans le journal Nature.
