Une cellule thermophotovoltaïque (TPV) (taille 1 cm x 1 cm) montée sur un dissipateur thermique conçu pour mesurer l’efficacité de la cellule TPV. Pour mesurer l’efficacité, la cellule est exposée à un émetteur et des mesures simultanées de la puissance électrique et du flux de chaleur à travers le dispositif sont effectuées. Crédit : Felice Frankel
Un nouveau moteur thermique sans pièces mobiles aussi efficace qu’une turbine à vapeur
Selon les chercheurs, cette conception pourrait un jour permettre la mise en place d’un réseau électrique entièrement décarbonisé.
Les ingénieurs de 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 une efficacité de plus de 40 % – une performance supérieure à celle 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. Celsiusou jusqu’à environ 4 300 degrés Fahrenheit.
Les chercheurs prévoient d’intégrer la cellule TPV dans une batterie thermique à l’échelle du réseau. Le système absorberait l’excès d’énergie provenant de sources renouvelables telles que le soleil et stockerait cette énergie dans des bancs de graphite chaud fortement isolés. Lorsque l’énergie est nécessaire, par exemple par temps couvert, les cellules TPV convertissent la chaleur en électricité et l’envoient sur 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 décarbonisé, alimenté entièrement par des énergies renouvelables.
“Les cellules thermophotovoltaïques étaient la dernière étape clé pour démontrer que les piles thermiques sont un concept viable”, explique Asegun Henry, professeur de développement de carrière Robert N. Noyce au département d’ingénierie mécanique du MIT. “Il s’agit d’une étape absolument essentielle sur la voie de la prolifération des énergies renouvelables et de la mise en place d’un réseau entièrement décarboné.”
Henry et ses collaborateurs ont publié leurs résultats le 13 avril 2022 dans la revue. Nature. Les coauteurs du MIT sont Alina LaPotin, 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 Kevin Schulte et ses collaborateurs du NREL à Golden, dans le Colorado.
Sauter 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 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 système de batterie thermique proposé par Henry, 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”, explique Henry. “Ils restent là et produisent de l’électricité de manière fiable”.
Les cellules thermophotovoltaïques ont offert 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.
Attraperlumière
Dans leur nouvelle conception de TPV, 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 de l’équipe y parvient grâce à des matériaux à bande interdite plus élevée et à des jonctions multiples, ou couches de matériaux, par rapport aux conceptions TPV existantes.
La cellule est fabriquée à partir de trois régions principales : un matériau à bande interdite élevée et un matériau à bande étroite. alliageLa cellule est fabriquée à partir de trois régions principales : un alliageà bande interdite élevéequi repose sur un alliage à bande interdite légèrement plus faible, sous lequel se trouve une couche d’or en forme de miroir. La première couche capture les photons à haute énergie d’une source de chaleur et les convertit en électricité, tandis que les photons à 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.
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 lampe à haute température et ont concentré la lumière sur la cellule. Ils ont ensuite fait varier l’intensité de l’ampoule, ou sa 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 une efficacité d’environ 40 %.
“Nous pouvons obtenir un rendement élevé sur une large gamme de températures pertinentes pour les piles thermiques”, déclare Henry.
La cellule utilisée dans les expériences fait 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 TPV.
Référence : “Thermophotovoltaic efficiency of 40%” par Alina LaPotin, Kevin L. Schulte, Myles A. Steiner, Kyle Buznitsky, Colin C. Kelsall, Daniel J. Friedman, Eric J. Tervo, Ryan M. France, Michelle R. Young, Andrew Rohskopf, Shomik Verma, Evelyn N. Wang et Asegun Henry, 13 avril 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04473-y
Cette recherche a été soutenue, en partie, par le ministère de l’Énergie des États-Unis.
