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Greentech : les thermopiles, ou l’exploitation de la chaleur résiduelle

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Comme d'autres installations, les centrales à charbon perdent chaque jour une grande quantité d'énergie thermique : la chaleur résiduelle. Pourtant, elle pourrait partiellement être convertie en électricité, sans qu'un seul gramme de CO2 soit émis, par exemple grâce aux cellules thermoélectrochimiques. Une équipe australienne vient d'ailleurs de battre un record de performance en la matière.

L'effet Seebeck, qui explique le fonctionnement des thermopiles, a été découvert en 1821 par un physicien allemand, Thomas Johann Seebeck, grâce à l’aiguille d’une boussole. © Gerardtv, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0

Les centrales à charbon utilisent de l'énergie thermique pour produire de l'électricité, mais les procédés employés sont loin d'être efficaces. En effet, une certaine quantité de chaleur n'est pas utilisée ou perdue durant les différents processus ayant cours dans les installations. Elle est alors qualifiée de résiduelle. Dans l'exemple pris, il y en a notamment dans les gaz d’échappement évacués par les cheminées, dont la température peut être comprise entre 100 et 200 °C. Bien évidemment, ces pertes ont un coût. En 2012, il a été estimé par Ecoheat4eu à 1.000 euros par citoyen européen (14 pays ont été pris en compte, dont la France) et par an.

De nombreux industriels ne sont pas insensibles à cette situation, et ont dès lors développé des solutions pour tirer profit de la chaleur résiduelle. Des cimenteries exploitent par exemple l'air chaud qui sort de leurs fours pour sécher des briques. Au Royaume-Uni, des centrales thermiques se sont vues adjoindre un système de cogénération : les gaz chauds sont refroidis par de l'eau, qui récupère au passage une certaine quantité d'énergie. L'eau chaude sert alors à d'autres fins, comme pour le chauffage.

Dorénavant, et grâce à des chercheurs de l'université Monash, en Australie, un nouveau système permet une meilleure production directe d'électricité à partir de la vapeur ou de la fumée produite par les industries. 

Principe de fonctionnement de la cellule thermoélectrochimique développée à l'université Monash (Australie). Une fois fixée sur un conduit chaud (entre 100 °C et 200 °C, hot), elle produit un courant électrique (power) grâce à la différence de température qui existe par rapport à une partie plus froide du dispositif (cold). © Douglas MacFarlane, Theodore Abraham, université Monash

Une solution pour convertir de la chaleur en électricité : la thermopile

Theodore Abraham, Douglas MacFarlane et Jennifer Pringle ont eu l'idée d'adapter une cellule thermoélectrochimique pour la rendre fonctionnelle au contact d'un gaz ou d'un liquide qui présente une température comprise entre 100 °C et 200 °C (contrairement au modèle standard, inopérant au-delà de 100 °C). De quoi s'agit-il ?

Ce système exploite l'effet Seebeck. Concrètement, une différence de potentiel apparaît lorsque deux matériaux présentant des températures différentes entrent en contact par le biais d'une jonction. La quantité d'électricité produite, bien souvent quelques dizaines ou centaines de millivolts dans les thermopiles actuellement employées dans l'électronique, est alors proportionnelle à la différence de température.

La technologie australienne diffère quelque peu de ce modèle de base. En effet, la cellule produite se compose de deux électrodes. La première est en contact avec la canalisation qui véhicule l'énergie thermique, elle est donc chaude, tandis que la seconde est froide, car réfrigérée par de l'eau ou de l'air. Entre les deux se trouve un liquide ionique servant d'électrolyte, donc riche en ions mobiles.

La clé technologique : l’électrolyte avec le meilleur coefficient de Seebeck

Pour améliorer cette technologie, les chercheurs ont manipulé le couple redox du cobalt(II/III) tris(bipyridyl) par le biais d'échanges d'anions, pour accroître sa solubilité dans le liquide ionique et dans du 3-méthoxypropionitrile. Grâce à ces opérations au vocabulaire barbare, ils ont tout simplement créé l'électrolyte qui présente le plus grand coefficient de Seebeck (Se, ici entre 1,5 et 2,2 mV/K), que d'autres appellent pouvoir thermoélectrique. Ces résultats ont été publiés dans la revue Energy and Environmental Science.

Lors des tests menés avec des gaz d'une température de 130 °C, la densité de puissance surfacique du dispositif a dépassé 0,5 W/m2, malgré le fait que le système n'avait pas été pleinement optimisé.

Les thermopiles à liquide ionique sont avantageuses pour plusieurs raisons. Entre autres, l'électrolyte est résistant aux hautes températures (un fait déjà évoqué), tout en étant non volatil et stable d'un point de vue électrochimique. Ainsi, il ne s'évapore pas sur le long terme. De plus, ces dispositifs sont modulables à souhait, par exemple pour s'adapter à la forme d'une canalisation, et produisent de l'électricité sans émettre de gaz à effet de serre (comme le CO2).

Que penser de cette cellule thermoélectrochimique ? 

Avec ce système, les chercheurs australiens viennent d'établir un nouveau record, en produisant plus de thermoélectricité que les autres cellules développées dans le passé, pour la même gamme de températures. Cette avancée nous a permis d'évoquer une problématique peu abordée de nos jours : les pertes liées à la formation de la chaleur résiduelle.

Cette ressource énergétique est produite en quantité à chaque instant, et elle termine sa vie dans l'atmosphère... Pourtant, nous pourrions l'exploiter pour produire une électricité verte à moindre coût (les matériaux qui constituent une cellule sont peu onéreux). Souhaitons un bon développement à cette technologie, en espérant qu'elle sortira rapidement des laboratoires.

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L’avenir fera la part belle aux technologies vertes, ce que de nombreux ingénieurs et chercheurs ont bien compris. Publiée toutes les deux semaines sur Futura-Sciences, la chronique Greentech dévoile et décrypte les projets innovants, visant à réduire l’impact de l’Homme sur son environnement, tout exploitant au mieux les ressources naturelles renouvelables.