Quand la chaleur se transforme en électricité à 1000 °C
Nouvelles perspectives pour la production d'électricité à partir de chaleur industrielle perdue
En collaboration avec l'université technique de Hambourg et l'université d'Aalborg, des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Hereon ont mis au point un nouvel émetteur sélectif à base d'iridium pour la thermophotovoltaïque. L'iridium a ainsi été utilisé pour la première fois comme matériau pour un émetteur et, lors des expériences, il a fait preuve d'une endurance particulière à des températures élevées d'environ 1 000 °C. Les résultats de leur étude ont été publiés dans la revue Advanced Materials et ouvrent de nouvelles perspectives pour la production d'électricité à partir de la chaleur.
La conversion de la chaleur en électricité est le principe de la thermophotovoltaïque. Pour que la chaleur puisse être utilisée efficacement sous forme d'énergie rayonnante, des émetteurs sélectifs sont nécessaires. Ils se situent entre la source de chaleur et la cellule photovoltaïque et n'émettent qu'une partie du rayonnement tout en supprimant l'autre. La difficulté réside dans le fait que la conversion de la chaleur en électricité s'effectue à des températures élevées, de l'ordre de 1 000 °C. L'émetteur doit donc être capable de résister à ces températures sans perdre la précision de sa sélectivité. En coopération avec l'université technique de Hambourg (TUHH) et l'université d'Aalborg, les chercheurs du Helmholtz-Zentrum Hereon ont réussi à produire un nouvel émetteur basé sur le métal résistant iridium qui peut résister à ces conditions sans perdre son efficacité.
"Avec l'iridium, nous abordons les deux aspects en même temps : la sélectivité et la stabilité de la température", explique Alexander Petrov, qui travaille sur les propriétés optiques des matériaux à l'université Helmholtz-Zentrum Hereon (TUHH). "Les émetteurs sélectifs à base d'iridium sont très efficaces pour supprimer les rayonnements indésirables et ne réagissent pas avec l'oxygène. L'iridium est un métal précieux comme l'or, mais il convient aux applications à haute température".
"En évitant les effets néfastes de l'oxydation, nous avons libéré le potentiel de systèmes plus efficaces et durables", rapporte Gnanavel Vaidhyanathan Krishnamurthy, auteur principal de l'étude et scientifique au Helmholtz-Zentrum Hereon. "Cette innovation ouvre la voie à de nouvelles possibilités en matière de récupération de la chaleur perdue, de production d'énergie solaire thermique et autres.
La fonction de l'émetteur
Dans la thermophotovoltaïque, comme dans la photovoltaïque, l'énergie rayonnante est convertie en électricité par une cellule photovoltaïque. Toutefois, dans le cas de la thermophotovoltaïque, l'énergie rayonnante ne provient pas du soleil, mais d'une source de chaleur, telle que celle utilisée dans l'industrie sidérurgique. L'émetteur est situé entre la source de chaleur et la cellule solaire. Il est constitué de plusieurs couches très fines (alternativement métal et oxyde), qui doivent rester inchangées à haute température pour permettre la transformation de la chaleur en électricité. Pour ce faire, elle n'émet idéalement que des photons à ondes courtes et supprime les photons à ondes longues - elle a donc un effet sélectif. Ceci est important car la cellule photovoltaïque n'est pas en mesure de convertir le rayonnement de grande longueur d'onde en électricité. Toutefois, à haute température, la plupart des métaux s'oxydent et la fonction de l'émetteur s'effondre. Comme l'ont montré les chercheurs, l'émetteur sélectif nouvellement développé en oxyde d'iridium et d'hafnium conserve complètement sa fonction pendant 100 heures à 1000 °C - le métal résiste aux défis exigeants sans aucune perte, comme les chercheurs ont pu le montrer grâce à des examens aux rayons X. Le développement réussi d'émetteurs sélectifs basés sur l'iridium est une étape importante vers le développement ultérieur de la thermophotovoltaïque.
Dans le cadre de la transition vers les énergies renouvelables, il est essentiel de garantir une alimentation électrique constante. La thermophotovoltaïque pourrait non seulement produire de l'électricité à partir de la chaleur résiduelle industrielle, mais aussi contribuer de manière importante à la conversion de l'approvisionnement énergétique en énergies renouvelables. L'énergie produite par les panneaux photovoltaïques et les éoliennes, qui fluctue naturellement dans le temps, est temporairement stockée dans des réservoirs de chaleur afin de l'extraire plus tard - lorsque le soleil ne brille pas ou que le vent ne souffle pas - et de la convertir en énergie électrique, qui est alors disponible en permanence, à l'aide de la thermophotovoltaïque, et de stabiliser ainsi les réseaux d'énergie.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Gnanavel Vaidhyanathan Krishnamurthy, Manohar Chirumamilla, Tobias Krekeler, Martin Ritter, Ragle Raudsepp, Mauricio Schieda, Thomas Klassen, Kjeld Pedersen, Alexander Yu. Petrov, Manfred Eich, Michael Störmer; "Iridium‐Based Selective Emitters for Thermophotovoltaic Applications"; Advanced Materials, 2023-9-8
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