Les chercheurs du MIT ont présenté un moteur thermique thermophotovoltaïque (TPV) à l’état solide qui peut fonctionner à des températures plus élevées et extraire plus d’électricité de la chaleur que la turbine à vapeur moyenne.
Le MIT affirme que son nouveau moteur thermique thermophotovoltaïque à l’état solide peut extraire plus d’énergie de la chaleur qu’une turbine à vapeur moyenne, pour une fraction du coût et sans utiliser de pièces mobiles. Les implications sont énormes pour les futures centrales électriques, ainsi que pour le stockage de l’énergie au niveau du réseau.
La majorité de l’électricité produite par l’humanité provient de la chaleur – combustion de charbon ou de gaz naturel, fission nucléaire, concentration solaire – utilisée pour faire bouillir de l’eau et faire tourner des turbines à vapeur. Cette méthode de production d’énergie existe depuis que Charles Parsons a relié pour la première fois une turbine à vapeur à une dynamo en 1884 et a cédé son brevet à George Westinghouse. Au cours du dernier siècle et demi, elle est devenue omniprésente dans le monde entier en tant que technologie mature et bien optimisée, avec des forces et des limites connues.
L’une de ces limites est l’efficacité. Si certaines turbines ont réussi à convertir jusqu’à 60 % de l’énergie d’une source de chaleur en électricité, le rendement moyen d’une turbine est plus proche de 35 %. Une autre limite est la chaleur : les pièces mobiles des turbines les empêchent de fonctionner, par exemple, à des températures supérieures à 2 000 °C.
Ces chiffres proviennent d’une équipe de recherche du MIT qui a travaillé sur une alternative : un moteur thermique sans pièces mobiles, un dispositif thermophotovoltaïque (TPV) dont l’équipe vient de faire la démonstration dans un petit prototype de 1 x 1 cm, en maintenant un rendement supérieur à 40 % sur une plage de température comprise entre 1 900 et 2 400 °C.
Selon l’équipe, il s’agit d’une avancée significative par rapport aux moteurs thermiques thermophotovoltaïques classiques, dont la plupart fonctionnent avec un rendement d’environ 20 %, le précédent record étant de 32 %, et d’un moyen plus efficace de récolter de l’énergie que les turbines dans des circonstances appropriées.
Les moteurs thermiques thermophotovoltaïques se résument à ceci : la chaleur arrive et est collectée par un matériau absorbant/émetteur, qui absorbe la chaleur et émet des photons de l’autre côté. Ces photons sont captés par une cellule photovoltaïque ordinaire située à proximité, qui les convertit en électricité utilisable.
L’équipe du MIT a réalisé cette impressionnante avancée en matière d’efficacité en modifiant quelques variables. Tout d’abord, la température de la chaleur d’entrée – ce dispositif est conçu spécifiquement pour fonctionner à des températures élevées, supérieures à celles auxquelles les turbines ne peuvent plus fonctionner. Cela permet à l’équipe d’utiliser des matériaux absorbants/émetteurs à bande interdite plus élevée, qui absorbent plus d’énergie et libèrent des photons infrarouges plus énergétiques du côté de l’émetteur, ainsi que des cellules photovoltaïques conçues pour tirer le meilleur parti de ces photons à haute énergie.
L’équipe a ensuite superposé les cellules photovoltaïques, la première couche étant conçue pour récolter les photons les plus énergétiques à des tensions plus élevées efficaces en termes de transmission, et la deuxième couche étant destinée à absorber les photons moins énergétiques. Les photons qui traversent les deux couches sont réfléchis sur l’absorbeur/émetteur à l’aide d’un miroir, de sorte que les photons hors des plages optimales peuvent être réinjectés au début du processus et contribuer à maintenir la température de l’émetteur.
Le dispositif expérimental. À gauche, la configuration du concentrateur, en haut à droite, un schéma du flux de chaleur et d’électricité à travers le dispositif de mesure, et en bas à droite, la cellule TPV montée sur un dissipateur thermique avec des fils électriques attachés.
Le dispositif expérimental. À gauche, le montage du concentrateur, en haut à droite, le schéma de la circulation de la chaleur et de l’électricité dans le dispositif de mesure, et en bas à droite, la cellule TPV montée sur un dissipateur thermique auquel sont fixés des fils électriques.
Dans un article publié dans Nature, l’équipe de recherche a discuté de ses résultats expérimentaux records, notant que « l’atteinte d’un rendement de 40 % avec les TPV est remarquable du point de vue de la technologie des moteurs thermiques qui peut désormais concurrencer les turbines. Un rendement de 40 % est déjà supérieur au rendement moyen des moteurs thermiques à turbine aux États-Unis, mais ce qui pourrait rendre les TPV encore plus attrayants qu’une turbine, c’est leur potentiel de réduction des coûts, de rapidité des temps de réponse, de réduction de la maintenance, de facilité d’intégration avec des sources de chaleur externes et de flexibilité des carburants. »
Cette nouvelle technologie de moteur thermique fonctionne dans une plage de températures « applicable à la combustion du gaz naturel ou de l’hydrogène », ce qui ouvre la perspective d’une nouvelle génération de centrales électriques à faibles émissions capables d’extraire plus d’énergie, à moindre coût, d’une source de combustion. Dans le cas de l’hydrogène vert, une telle centrale pourrait être exempte d’émissions de carbone, voire d’oxydes d’azote.
Mais l’équipe de recherche souligne également qu’à ce niveau d’efficacité, ces moteurs thermiques TPV peuvent instantanément faire des projets de stockage d’énergie thermique en réseau (TEGS) un moyen économiquement viable de stocker et de libérer l’énergie renouvelable à l’échelle du réseau. La conception proposée par l’équipe utiliserait l’excédent d’électricité pour chauffer des « banques de graphite chaud fortement isolées », qui serviraient de support de stockage de l’énergie. Lorsque cette énergie est requise, de grandes banques de moteurs thermiques TPV la reconvertissent en électricité pour le réseau.
L’équipe calcule que cette batterie thermique fonctionnerait avec un rendement aller-retour d’environ 40 à 55 %. Il s’agit d’un certain gaspillage par rapport aux batteries au lithium, dont l’équipe estime qu’elles ont un rendement plus proche de 70 %. Mais les chercheurs pensent qu’elle sera tellement moins chère – avec un coût d’investissement par unité d’énergie projeté à seulement un dixième de celui des batteries au lithium – que les TEGS seront compétitifs partout où le moteur thermique TPV peut fonctionner avec un rendement de plus de 35 %.
Selon les chercheurs, ces moteurs thermiques TPV sont la dernière pièce de la technologie requise pour débloquer le stockage d’énergie thermique super bon marché au niveau du réseau.
« Les cellules thermophotovoltaïques étaient la dernière étape clé pour démontrer que les piles thermiques sont un concept viable », déclare 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… Cette technologie est sûre, sans danger pour l’environnement dans 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. »
Qui plus est, le chiffre record d’efficacité de cette équipe sera sûrement bientôt éclipsé.
« Les coûts et les performances des turbines ont déjà atteint leur pleine maturité », peut-on lire dans l’étude, « les perspectives d’amélioration future sont donc limitées, car elles sont à la fin de leur courbe de développement. Les véhicules de transport de passagers, en revanche, n’en sont qu’au début de leur progression sur une courbe de développement fondamentalement différente. Par conséquent, les TPV offrent de nombreuses perspectives d’amélioration de l’efficacité (par exemple, en améliorant la réflectivité et en réduisant la résistance en série) et de réduction des coûts (par exemple, en réutilisant les substrats et en utilisant des matières premières moins chères). »
Ce type de changement d’étape dans l’efficacité pourrait en effet avoir un énorme effet papillon dans la course vers des émissions de carbone nulles. Nous espérons entendre beaucoup plus parler de ces moteurs thermiques à l’état solide dans les prochaines années.
