La thermoélectricité détrônera-t-elle le photovoltaïque ? Présentée comme une percée dans le domaine de l’énergie durable, cette technologie de pointe, qui recycle la chaleur résiduelle — habituellement perdue — pour alimenter notre avenir, est issue d’un partenariat franco-polonais. Serons-nous bientôt capables d’utiliser l’énergie électrique issue du recyclage ?
Ces dernières années, l’importance de passer aux sources d’énergie renouvelables est de plus en plus soulignée. Les instituts de recherche français, utilisant des technologies développées en Pologne, pourraient jouer un rôle clé dans la transformation énergétique vers un avenir vert.
Pour l’un c’est un déchet, pour l’autre un trésor
Ce vieux dicton illustre parfaitement l’idée de l’économie circulaire, qui vise à réutiliser ce qui devient actuellement un déchet. L’énergie traditionnelle n’utilise qu’environ 40% de l’énergie provenant du charbon et d’autres combustibles fossiles. Le reste, soit plus de la moitié, se disperse sous forme de chaleur résiduelle. Cette chaleur résiduelle pourrait être une source d’énergie gratuite, tout comme le vent ou le soleil.
Il est beaucoup moins coûteux d’utiliser l’énergie générée par un autre processus que de l’acheter ou de la produire, cela fonctionne comme tout processus de recyclage… mais appliqué à l’énergie. De plus, l’utilisation de l’énergie résiduelle peut améliorer l’efficacité industrielle et réduire les coûts énergétiques pour les consommateurs. La chaleur résiduelle pourrait remplacer une quantité significative de combustibles fossiles, contribuant à la transformation verte des systèmes énergétiques.
La France sait comment utiliser les “déchets des centrales électriques”
La France récupère déjà avec succès l’énergie du combustible nucléaire, et cela depuis près de 60 ans à l’usine de La Hague, avec la récupération des matériaux usés, qui peuvent être réutilisés pour alimenter à nouveau les centrales nucléaires.
La France deviendra-t-elle un pionnier de la thermoélectricité ?
La chaleur résiduelle disponible dans l’UE représente environ 2860 TWh d’énergie par an. C’est presque équivalent à la demande totale de l’UE pour le chauffage et l’eau chaude dans les bâtiments résidentiels et commerciaux, qui est de 3180 TWh par an dans les 27 pays de l’UE et au Royaume-Uni.
Face à la situation actuelle du marché de l’énergie et à l’épuisement progressif des sources d’énergie non renouvelables, les pays de l’Union européenne mettent de plus en plus l’accent dans leur législation sur l’utilisation des sources d’énergie renouvelables. L’un des principaux objectifs stratégiques de l’Union européenne est d’améliorer l’efficacité énergétique. L’objectif en matière d’efficacité énergétique a été fixé pour 2030 : une consommation d’énergie primaire ne dépassant pas 1 273 Mtoe, et une consommation d’énergie finale – 956 Mtoe, ce qui représente une amélioration de l’efficacité de 32,5%.
Un système énergétique efficace est celui dans lequel au moins 50% de l’énergie utilisée pour produire de la chaleur ou du froid provient de sources d’énergie renouvelables ou de chaleur résiduelle (par exemple, des installations industrielles ou des systèmes de canalisation) ou 75% de la chaleur provenant de la cogénération.
L’une des technologies qui permet de transformer cette énergie thermique résiduelle en énergie électrique sont les modules thermoélectriques. Les ingénieurs des centres polonais ont développé une petite version de ces modules, sans pièces mécaniques mobiles.
“Nos appareils produisent des matériaux thermoélectriques qui aideront à obtenir de l’énergie électrique sans utiliser de combustibles fossiles. Ils permettent d’utiliser la chaleur naturelle qui existe déjà dans notre environnement, par exemple du soleil ou de divers processus industriels, et de la convertir en électricité. Cela non seulement économise de l’énergie, mais prend également soin de notre planète et fournira aux générations futures plus d’énergie propre.”
Dr. Ing. Marcin Rosiński.
Des recherches sur les matériaux thermoélectriques sont menées avec succès en Pologne depuis des années. Les scientifiques de Cracovie ont créé des modules thermoélectriques dix fois plus efficaces que les cellules photovoltaïques à des coûts de production similaires. Selon les créateurs, le processus technologique de production, ainsi que le coût du matériel de la nouvelle solution, ne diffèrent pas de celui d’un élément photovoltaïque de taille similaire.
“Compte tenu de la densité de puissance nettement supérieure des convertisseurs thermoélectriques, le prix pour 1W de puissance électrique devrait être nettement plus avantageux que celui des panneaux photovoltaïques”
Professeur Wojciechowski de Cracovie
Le prix plus l’efficacité dix fois supérieure permettent de poser la thèse que la thermoélectricité est l’une des tendances écologiques les plus importantes en énergie.
La thermoélectricité détrônera-t-elle le photovoltaïque ?
“Ce n’est pas nécessaire, elle peut même coexister avec le photovoltaïque. Des modules thermoélectriques placés dans une centrale solaire peuvent augmenter l’efficacité d’une installation photovoltaïque, qui occupe souvent des hectares entiers et de cette façon réduire même de 40% la surface nécessaire pour obtenir de l’alimentation”
Dr. Ing. Marcin Rosiński de la société Genicore basée à Varsovie.
Quelques dizaines de nanomètres, ce sont les dimensions des grains de matériaux produits, soit environ plusieurs centaines de fois moins que l’épaisseur d’un cheveu humain. Pour une production aussi précise, il faut des machines qui fonctionnent sous une pression de l’ordre de 35 tonnes et avec une intensité de courant de plusieurs milliers d’ampères2. De petites tailles qui peuvent contribuer à de grands changements dans le domaine de l’énergie.
La production d’appareils thermoélectriques permettent la collecte de l’énergie thermique nécessaire à la numérisation de l’industrie. Ces matériaux sont utilisés dans de nombreux domaines, tels que : la production d’énergie électrique verte à partir de la chaleur résiduelle, les dispositifs de sécurité industrielle, la protection contre les brûlures par contact, les alimentations pour les réseaux de chauffage urbain, les capteurs de fuite de gaz dans des endroits éloignés, la récupération de la chaleur résiduelle pour l’alimentation à distance dans l’IoT, et les systèmes de récupération de la chaleur résiduelle dans les industries caractérisées par une grande quantité de chaleur résiduelle.
La technologie thermoélectrique offre de nombreux avantages, tels que la capacité de fonctionner hors réseau, la durabilité et la production d’énergie renouvelable dans des endroits difficiles d’accès. Elle contribue également à réduire l’empreinte CO2 de l’industrie, à améliorer l’efficacité énergétique et à permettre la récupération de la chaleur résiduelle.
Les dispositifs polonais soutiennent la recherche française.
Testée et prouvée avec la NASA et d’autres agences spatiales, cette technologie est reconnue sur la scène internationale. Des machines, comme U-FAST Glovebox, permettent de préparer des poudres frittées sans exposition à l’atmosphère. C’est une nouvelle étape dans le processus innovant de frittage par plasma d’étincelles. Le CNRS a déjà passé commande d’une telle machine, ayant déjà acheté et testé un appareil du fabricant polonais. Mais ce n’est pas le seul à collaborer avec les Polonais – l’Université Paris-Est Créteil et l’ICMPE – Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est ont également équipé leurs laboratoires avec le premier appareil SPS créé par les Polonais.
Pas seulement pour l’énergie thermique
Selon les scientifiques, l’appareil de GeniCore produit des matériaux qui ont de nombreuses applications. Il n’est donc pas difficile d’imaginer une entité qui souhaiterait produire des matériaux sur commande pour des clients spécifiques dans de nombreux secteurs – presque tous, de l’énergie et des carburants, à la métallurgie et à la pétrochimie. Les thermoélectriques résolvent en effet divers problèmes. Partout où il y a des tuyaux et des équipements qui chauffent considérablement, ils améliorent la sécurité au travail, mais on peut aussi imaginer des batteries thermoélectriques qui ne se déchargent pas pour les besoins de l’IoT. Un autre avantage des thermoélectriques est qu’ils ne nécessitent aucun entretien, n’ont pas de pièces mobiles et peuvent produire de l’énergie pendant de nombreuses années.
Le magazine “Science” confirme qu’il y aura de nombreuses applications pour les matériaux thermoélectriques. La technologie ne sera pas seulement utile dans les centrales électriques. Elle sera également très efficace dans l’industrie automobile, utilisée par exemple pour créer une nouvelle génération de moteurs de voitures plus écologiques, ainsi que dans l’industrie lourde, dans les raffineries, les aciéries comme une énergie efficace et à faible émission.
En collaboration avec 12 partenaires européens, Genicore mène actuellement des recherches dans le cadre du projet de technologie thermoélectrique, permettant la réduction de la pollution par l’utilisation des déchets miniers.
Une chose est sûre, l’industrie énergétique mondiale s’oriente vers l’acquisition d’énergie rapide, bon marché, sans émission et utilisant des sources renouvelables. Dans ce contexte, la transformation est inévitable et les Français pourraient bien trouver la réponse à ces défis en passant à une économie circulaire dans ce secteur critique et sans sacrifice. Les problèmes liés à l’énergie verte seront-ils résolus par les Français en utilisant les réalisations polonaises ?
- U-FAST Glovebox élimine ce qui rendait auparavant la production de thermoélectriques coûteuse et difficile en raison des conditions atmosphériques, permettant de produire des thermoélectriques dans des conditions de teneur en oxygène et d’humidité contrôlées. La combinaison de la technologie SPS (Spark Plasma Sintering) avec une chambre à gants (Glovebox) permet de fabriquer des matériaux par un processus de frittage directement après l’étape de synthèse mécanique. ↩︎
- GeniCore se spécialise dans les machines Spark Plasma Sintering, une technologie de frittage qui permet la production rapide et économique de matériaux thermoélectriques. ↩︎
