Un minuscule nouveau moteur thermique sans pièces mobiles vient de franchir une étape énergétique incroyable

Les scientifiques espèrent que les cellules thermophotovoltaïques à semi-conducteurs (TPV) sans pièces mobiles pourront atteindre des rendements plus élevés à des températures plus élevées lorsqu’il s’agit de convertir la chaleur en électricité – et ouvrir la voie à des réseaux électriques entièrement basés sur les énergies renouvelables.

L’une de ces cellules TPV a maintenant atteint un nouveau record mondial d’efficacité de 40%, rapportent les chercheurs. C’est mieux que les turbines à vapeur traditionnellement utilisées pour transformer la chaleur en électricité, qui atteignent généralement un maximum de 35 % et ont également des limites de température supérieures.

Les TPV convertissent les photons à haute énergie provenant de sources de chaleur chauffées à blanc en électricité. Lorsqu’elles sont combinées avec des batteries thermiques, elles pourraient capter l’énergie du Soleil et la stocker, libérant de l’électricité au fur et à mesure des besoins.

“L’un des avantages des convertisseurs d’énergie à semi-conducteurs est qu’ils peuvent fonctionner à des températures plus élevées avec des coûts de maintenance réduits car ils n’ont pas de pièces mobiles”, explique l’ingénieur en mécanique Asegun Henry, du Massachusetts Institute of Technology (MIT).

“Ils restent assis là et produisent de l’électricité de manière fiable.”

La cellule thermophotovoltaïque impliquée dans la conversion record peut générer de l’électricité à partir de sources de chaleur à des températures de 1 900 à 2 400 degrés Celsius (3 452 à 4,352 degrés Fahrenheit). Ces températures sont beaucoup trop élevées pour que les turbines à vapeur conventionnelles fonctionnent, en raison des pièces mobiles impliquées.

Désormais, l’efficacité de ces cellules augmente également, ce qui les rend plus viables. Le record précédent s’élevait à 32 % d’efficacité, tandis que la plupart des cellules TPV fabriquées à ce jour ont oscillé autour du taux d’efficacité de 20 %.

Le record d’efficacité a été mesuré à l’aide d’un capteur de flux thermique pour mesurer la chaleur absorbée par la cellule, qui mesure environ un centimètre carré. Une ampoule à haute température a été utilisée pour faire varier la quantité de chaleur à laquelle la cellule était exposée, révélant qu’elle était en fait adaptée pour être intégrée dans un système plus grand.

“Nous pouvons obtenir un rendement élevé sur une large plage de températures pertinentes pour les batteries thermiques”, explique Henry.

L’amélioration de l’efficacité est principalement due aux matériaux utilisés, qui ont ce qu’on appelle une faible bande interdite – un espace que les électrons doivent traverser pour que l’électricité soit générée. Ici, les chercheurs ont utilisé des matériaux à bande interdite plus élevée, ainsi que des jonctions multiples (ou couches de matériaux).

Trois couches sont utilisées : un alliage à bande interdite élevée pour capturer les photons à haute énergie pour les transformer en électricité, un alliage à faible bande interdite pour capturer les photons à faible énergie qui glissent à travers la première couche, et un miroir en or pour réfléchir les photons qui ont traversé tous les jusqu’à la source de chaleur, minimisant ainsi le gaspillage de chaleur.

Maintenant que la cellule TPV s’est avérée opérationnelle, fiable et efficace, les scientifiques peuvent poursuivre le travail de mise à l’échelle et de la combiner avec d’autres éléments pour former un système de production d’énergie complet – et qui ne produit pas de carbone tout en utilisé.

“Les cellules thermophotovoltaïques ont été la dernière étape clé pour démontrer que les batteries thermiques sont un concept viable”, déclare Henry. “Il s’agit d’une étape absolument critique sur la voie de la prolifération des énergies renouvelables et de l’obtention d’un réseau entièrement décarboné.”

La recherche a été publiée dans Nature

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