Une équipe d’ingénieurs et de scientifiques des matériaux de l’université du Colorado à Boulder a mis au point une technologie innovante permettant de convertir le rayonnement thermique en électricité. Ce dispositif défie une loi fondamentale de la physique thermique et ouvre de nouvelles perspectives pour la production énergétique.
Dirigée par Longji Cui, professeur assistant au sein du Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering, l’équipe de recherche a travaillé en collaboration avec le National Renewable Energy Laboratory (NREL) et l’université du Wisconsin-Madison. Leurs résultats, publiés dans la revue Energy & Environmental Sciences, annoncent une avancée qui pourrait transformer l’industrie manufacturière et la récupération d’énergie.
Réutiliser la chaleur perdue pour produire de l’électricité
Chaque jour, d’énormes quantités d’énergie sont perdues sous forme de chaleur. Selon Longji Cui, deux tiers de l’énergie consommée finissent dissipés sous forme thermique. Ce phénomène touche aussi bien l’industrie que les systèmes de production d’énergie renouvelable.
L’idée du projet repose sur un constat simple : utiliser cette chaleur résiduelle pour produire de l’électricité propre. Contrairement aux approches classiques, cette nouvelle technologie fonctionne sans nécessiter de sources de chaleur à très haute température ni de matériaux coûteux. Elle pourrait être appliquée aux centrales géothermiques, nucléaires et solaires pour maximiser l’utilisation de l’énergie disponible.
Une avancée qui dépasse les limites physiques
Les dispositifs thermophotovoltaïques (TPV) sont connus pour convertir l’énergie thermique en électricité grâce à des cellules photovoltaïques spécifiques. Cependant, ils sont limités par la loi du rayonnement de Planck, qui impose une contrainte théorique sur la quantité d’énergie thermique pouvant être récupérée à une température donnée.
Les tentatives précédentes pour s’approcher de cette limite se heurtaient à des obstacles technologiques. Elles impliquaient des matériaux coûteux et des procédés complexes, rendant ces systèmes difficiles à produire à grande échelle.
L’approche développée par l’équipe de Cui a permis de contourner cette barrière et de doubler la densité de puissance obtenue par rapport aux conceptions TPV traditionnelles. Leur dispositif, de la taille d’une main, offre une efficacité supérieure sans recourir à des températures extrêmes.
Un dispositif compact et performant grâce au “zero-vacuum gap”
L’innovation repose sur une modification clé des TPV classiques. Traditionnellement, ces dispositifs comportent un espace rempli de gaz ou maintenu sous vide entre la source thermique et la cellule photovoltaïque. Ce vide joue un rôle crucial dans la conversion thermique, mais il impose des limites physiques à l’efficacité du processus.
L’équipe de Cui a introduit une solution appelée “zero-vacuum gap”. Ce concept repose sur l’utilisation d’un séparateur en verre à haut indice de réfraction et transparent aux infrarouges, placé entre la source thermique et la cellule. Cette approche permet de transférer la chaleur sans perte significative et d’augmenter considérablement la densité de puissance.
Cette technique offre plusieurs avantages :
- Un gain en puissance significatif sans augmentation de la température. Le dispositif fonctionne à 1 000 °C et produit une électricité équivalente à un système classique fonctionnant à 1 400 °C.
- Une conception simple et économique, le verre utilisé étant un matériau peu coûteux et disponible en grande quantité.
- Une compatibilité avec les procédés industriels existants, facilitant son intégration dans divers secteurs.
Des perspectives d’optimisation prometteuses
L’utilisation du verre dans ce dispositif n’est qu’un début. D’autres matériaux aux propriétés similaires pourraient amplifier encore davantage la production électrique. Parmi eux, le silicium amorphe est envisagé comme un candidat potentiel, avec une capacité d’amélioration estimée jusqu’à 20 fois la densité de puissance actuelle.
Ces résultats ouvrent la voie à une optimisation progressive du concept, avec des gains de performance encore plus significatifs.
Applications et impact industriel
Les implications commerciales de cette avancée sont considérables. La récupération et la conversion efficace de la chaleur perdue offrent des opportunités concrètes pour :
- L’alimentation de générateurs portables, en fournissant une source d’énergie propre et renouvelable.
- La décarbonation des industries à fortes émissions, comme la sidérurgie, la cimenterie ou la production de verre.
- L’amélioration de l’efficacité des centrales thermiques et renouvelables, en exploitant au maximum la chaleur résiduelle.
Le dispositif développé par l’équipe de Cui repose sur des technologies déjà maîtrisées, ce qui facilite son passage à l’échelle industrielle. Un brevet est en cours de dépôt pour protéger cette innovation et accélérer son développement.
Une avancée clé pour l’avenir de l’énergie
Cette nouvelle approche thermophotovoltaïque illustre une rupture avec les contraintes physiques imposées jusqu’ici. En augmentant la densité de puissance sans recourir à des températures extrêmes, ce dispositif s’impose comme une solution prometteuse pour la production d’électricité propre.
Les prochaines étapes consisteront à tester de nouveaux matériaux pour optimiser encore davantage l’efficacité du système et à développer des prototypes industriels adaptés aux différentes applications. Cette technologie pourrait bien redéfinir la manière dont nous exploitons l’énergie thermique à l’échelle mondiale.
Source de l’article : http://dx.doi.org/10.1039/D4EE04604H
