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Alors que l’installation de sources de production d’énergie renouvelable continue d’établir des records annuels, nous atteignons le point où le stockage de l’énergie qu’elles produisent devient essentiel. Un stockage approprié peut fournir un moyen de couvrir les baisses temporaires de production dues aux changements météorologiques et peut potentiellement offrir un moyen d’utiliser l’énergie à des moments où les sources renouvelables ne produisent pas du tout.
Jusqu’à présent, l’attention s’est portée sur les batteries en tant que technologie de stockage qui fonctionne déjà et sur l’hydrogène en tant que technologie qui pourrait fonctionner. Mais les deux options ont des problèmes de mise à l’échelle pour répondre à nos besoins. Et il y a une technologie déjà utilisée qui pourrait être plus flexible : la chaleur. La chaleur créée à partir de l’énergie solaire concentrée permet déjà aux centrales solaires de continuer à produire longtemps après le coucher du soleil (certaines centrales peuvent produire 24 heures sur 24). Et nous savons déjà comment produire et stocker efficacement la chaleur.
Aujourd’hui, des chercheurs du National Renewable Energy Lab et du MIT ont amélioré une technologie permettant d’utiliser la chaleur stockée pour produire de l’électricité : un dispositif photovoltaïque sensible aux longueurs d’onde infrarouges. Ils montrent que son efficacité est compétitive avec celle des chaudières à vapeur et qu’elle évite l’utilisation de pièces mobiles et d’eau qui pourraient autrement être rares.
Thermophotovoltaïque
Les cellules photovoltaïques au silicium – et celles fabriquées à partir d’une gamme d’autres matériaux – peuvent convertir la lumière infrarouge en courant électrique. Ils ne le font tout simplement pas efficacement. D’autres matériaux sont plus sensibles à ces longueurs d’onde, mais les photons de moindre énergie dans l’infrarouge entraînent une tension proportionnellement plus faible dans la sortie photovoltaïque. Cela réduit l’efficacité de tout appareil ciblant ces longueurs d’onde.
Mais puisque l’équipe de recherche se concentre sur le stockage de l’énergie, ils supposent qu’ils peuvent contrôler la température de l’objet chaud qui agit comme leur source de photons. Les chercheurs prévoient donc d’utiliser une température relativement élevée (de l’ordre de 2 000 °C) pour augmenter le nombre de photons de plus haute énergie près du bord du spectre visible. Cela leur permettra d’utiliser un semi-conducteur avec une bande interdite plus élevée, ce qui correspond à une tension de sortie plus importante.
Pour augmenter encore l’efficacité, la cellule combine deux matériaux différents qui absorbent différentes zones du spectre dans ce qu’on appelle une configuration à deux jonctions. L’équipe a essayé deux configurations différentes à deux jonctions, une utilisant de l’aluminium/gallium/indium/arsenic et du gallium/indium/arsenic et une seconde utilisant du gallium/arsenic et du gallium/indium/arsenic. Les deux ont des propriétés légèrement différentes dans ce qu’ils absorbent le plus efficacement, sur lesquelles nous reviendrons sous peu.
Comme cette configuration est entièrement contrôlable, les chercheurs enveloppent essentiellement l’ensemble du dispositif, qui comprend à la fois l’élément chauffant qui produit des photons et la cellule thermophotovoltaïque qui les convertit en électricité, dans un matériau hautement réfléchissant. Tout photon qui émet dans la mauvaise direction est réfléchi pour frapper le dispositif thermophotovoltaïque ou être absorbé par l’élément chauffant, aidant ainsi à maintenir sa température élevée. Il en est de même pour les photons qui atteignent le matériau thermophotovoltaïque mais ne sont pas absorbés par celui-ci. (Les chercheurs notent sèchement que le photovoltaïque ne peut pas réfléchir les photons non absorbés vers le Soleil pour le garder chaud.)
Le résultat net est une efficacité totale de l’appareil d’environ 40 %, en fonction des matériaux utilisés et de la température de la source de chaleur.
Comment cela se cumule
Une perte de 60% semble assez horrible par rapport à une batterie, où l’efficacité aller-retour est supérieure à 90%. Mais les chercheurs notent que l’efficacité est déjà supérieure à celle de la turbine à vapeur moyenne aux États-Unis. Les appareils thermophotovoltaïques sont relativement nouveaux, et on s’attend à ce qu’il y ait beaucoup de place pour augmenter l’efficacité au-dessus de 40 % ; en revanche, les turbines sont à peu près aussi matures qu’une technologie l’est.
C’est là que les deux dispositifs différents entrent en jeu. L’un était le plus efficace pour extraire l’électricité à partir de températures d’environ 2 400 °C, le second faisait mieux lorsque les températures descendaient en dessous de 2 000 °C. Il devrait donc être possible de concevoir des systèmes où différents dispositifs thermophotovoltaïques sont utilisés. pour extraire efficacement l’électricité lorsque la température d’un matériau source baisse progressivement. Et, une fois que la température descend en dessous de celle où les dispositifs thermophotovoltaïques fonctionnent bien, les choses doivent encore être suffisamment chaudes pour créer de la vapeur pour entraîner une turbine.
Un deuxième avantage est que le système est assez agnostique quant à la façon dont il génère la chaleur pour le stockage en premier lieu. Il pourrait provenir de l’électricité lorsque l’éolien et le solaire sont en surproduction. Il pourrait faire partie d’une centrale solaire à concentration (bien que celles-ci aient tendance à atteindre un maximum d’environ 1 000 ° C). Une conception de centrale nucléaire de nouvelle génération utiliserait le stockage de chaleur pour augmenter sa flexibilité. Il peut même y avoir des processus industriels qui produisent de la chaleur perdue à ces températures (bien qu’elles soient également bien au-dessus de ce que des choses évidentes comme la fabrication de l’acier exigent) qui pourraient être stockées.
Enfin, l’équipe note qu’un matériau peu coûteux, le graphite, peut être utilisé pour stocker la chaleur à ces températures. Ainsi, tant que le coût du dispositif thermophotovoltaïque et du matériel de support peut être maintenu dans des limites raisonnables, cela pourrait permettre au stockage thermique couplé aux énergies renouvelables de concurrencer les combustibles fossiles. Le principal problème semble être les températures extrêmes nécessaires pour que cela fonctionne.
Nature, 2022. DOI : 10.1038/s41586-022-04473-y (À propos des DOI).