Le “Sun-in-a-Box” du MIT utilise la lumière comme une forme efficace d’énergie

La cellule thermophotovoltaïque, également appelée

La cellule thermophotovoltaïque, également appelée “moteur thermique”, mesure 1 centimètre carré, mais l’équipe de recherche à l’origine de celle-ci cherche à se développer.
Photo: Felice Frankel

Des chercheurs du MIT ont construit une cellule thermophotovoltaïque très efficace qui, lorsqu’il est associé à des ressources renouvelables, convertit efficacement les photons entrants – particules de lumière – en électricité. C’est un réussite qui pourraient inspirer de nouvelles façons d’approvisionner le monde en énergie.

“Le problème est que vous n’obtenez pas [renewable] l’énergie quand vous le voulez », a déclaré Asegun Henry, ingénieur en mécanique au MIT et auteur du nouveau Nature étude, expliqué dans un appel vidéo. “Vous ne l’obtenez que lorsque le temps est favorable : lorsque le soleil est au rendez-vous ou que le vent souffle.” La réponse à ce dilemme réside dans ce que Henry appelle les « batteries thermiques », où l’énergie provenant de sources d’énergie renouvelables, telles que l’énergie solaire, est stockée sous forme de chaleur.

Les batteries thermiques pourraient “envoyer” de l’énergie au réseau électrique chaque fois que cela était nécessaire, a déclaré Henry. Les batteries lithium-ion ne suffisent pas à cet effet. “Les batteries lithium-ion sont malheureusement trop chères, et plusieurs études ont examiné à quel point le stockage doit être bon marché pour que nous ayons un réseau entièrement renouvelable”, a expliqué Henry. “C’est là que nous avons développé cette technologie – les batteries thermiques – car stocker l’énergie sous forme de chaleur plutôt que de la stocker de manière électrochimique est 10 à 100 fois moins cher.”

Comment ça fonctionne

La cellule thermophotovoltaïque s’appuie sur une physique fondamentale des semi-conducteurs. Les atomes dans les alliages d’un semi-conducteur ont des bandes interdites, c’est-à-dire la distance entre la couche de valence des électrons et la bande de conduction. Lorsque les électrons de la bande de valence sont excités, ils s’excitent (comme vous en lisant cet article) et sautent de la bande de valence à la bande de conduction. Ce saut entraîne une libération d’énergie, dans laquelle la quantité précise d’énergie libérée est régie par la distance de la bande interdite. En d’autres termes, la quantité d’énergie libérée est déterminée par la quantité d’énergie dont l’électron a besoin pour sauter à travers la bande interdite.

Les électrons de cette cellule thermophotovoltaïque sont situés dans ses alliages, qui sont empilés les uns sur les autres comme les couches d’un gâteau. La cellule est composée de deux couches d’alliages semi-conducteurs et d’une couche réfléchissante d’or. Les alliages de cette expérience ont été choisis en fonction de la longueur d’onde des photons nécessaires pour alimenter la pile à son efficacité la plus élevée. Si “vous souhaitez absorber la lumière à une fréquence particulière, vous pouvez déterminer quels alliages vous donneront les bonnes bandes interdites que vous souhaitez”, a déclaré Henry.

La position des alliages au sein du moteur thermique était également un facteur important. La première couche a été conçue pour avoir la plus grande bande interdite afin de capturer les photons les plus énergétiques. Les photons non capturés par la première couche tombent ensuite dans la deuxième couche et poussent les électrons à travers une bande interdite plus petite. Si un photon n’a pas assez d’énergie pour pousser un électron à travers l’espace dans la première ou la deuxième couche, c’est là que la couche réfléchissante d’or peut renvoyer les photons dans la source lumineuse pour réduire le gaspillage d’énergie. La torsion, cependant, est d’où viennent ces photons.

Travaillant dans un environnement de laboratoire contrôlé, Henry et l’équipe de recherche ont obtenu les photons du métal surchauffé situé directement au-dessus du moteur thermique.

“Nous envoyions de l’électricité à un radiateur résistif qui se trouvait à quelques mètres”, a expliqué Henry. Ce radiateur résistif ressemblait à un filament d’ampoule complexe – un conducteur qui brille et devient surchauffé lorsque l’énergie le traverse. Le métal chaud et incandescent a libéré des photons qui ont été capturés par les couches d’alliage, ce qui a généré de l’électricité dans le moteur thermique ; les chercheurs ont découvert qu’un élément chauffé entre 3 452 et 4 352 degrés Fahrenheit (1 900 et 2 400 degrés Celsius) leur offrait la meilleure efficacité.

Dans un laboratoire, il est facile de brancher un radiateur résistif dans une prise murale, mais les chercheurs ont en tête des scénarios réels. Idéalement, ils aimeraient stocker de l’énergie issue de ressources renouvelables dans ces grosses batteries, auxquelles ils pourraient ensuite accéder avec les moteurs thermiques.

Ce que le moteur thermique pourrait faire

Pour stocker l’énergie sous forme de chaleur, une source d’énergie renouvelable alimenterait les résistances chauffantes qui chauffent le métal liquide. Le métal liquide serait ensuite pompé sur des blocs de graphite, ce que Henry décrit comme un “soleil dans une boîte”. L’hypothétique soleil dans une boîte fonctionnerait à la moitié de la température du Soleil réel et alimenterait ensuite les radiateurs résistifs qui envoient des photons aux moteurs thermiques, qui seraient stockés les uns sur les autres dans un large éventail.

Le système de stockage de la grille d'énergie thermique comprend des blocs de graphite pour stocker la chaleur (à gauche) et une tour constituée de moteurs thermiques (au centre), qui fonctionnent en absorbant des photons à haute énergie (à droite).

Le système de stockage de la grille d’énergie thermique comprend des blocs de graphite pour stocker la chaleur (à gauche) et une tour constituée de moteurs thermiques (au centre), qui fonctionnent en absorbant des photons à haute énergie (à droite).
Illustration: Alina La Potin

Henry n’a pas tardé à reconnaître que cela ressemblait à quelque chose d’un roman de science-fiction, mais les recherches effectuées par la même équipe il y a cinq ans les a inspirés à continuer à faire avancer la méthodologie. Ils ont été les premiers à démontrer qu’il était possible de pomper du métal liquide au-dessus de 1 832 degrés Fahrenheit (1 000 degrés Celsius), une réalisation qui leur a valu un record du monde Guinness pour la température la plus élevée du métal liquide pompé.

Il a déclaré qu’un danger potentiel d’une batterie thermique à grande échelle et d’une alimentation électrique de moteur thermique est qu’elle fonctionnerait dans un environnement sans oxygène. “Cette chose va être conservée à l’intérieur d’un entrepôt rempli de gaz inerte, comme l’argon”, a expliqué Henry. “Cet environnement n’a pas d’air, vous ne pouvez donc pas simplement y entrer.” Idéalement, le système de stockage serait conçu de manière à ce que tout entretien puisse être effectué à distance, mais il a déclaré que des inspections régulières et des réparations pourraient toujours être effectuées en toute sécurité.

“Nous aimerions aller jeter un coup d’œil lors de la maintenance annuelle, et vous n’avez qu’à refroidir le système, ou en refroidir une partie, et envoyer quelqu’un”, m’a dit Henry. “Si vous aviez une urgence, vous pouviez refroidir le système et envoyer quelqu’un avec essentiellement un équipement de plongée et une bouteille d’oxygène.”

Leur cellule thermophotovoltaïque fonctionne à 40 % d’efficacité, ce qui est mieux que les conceptions précédentes et comparable aux turbines à vapeur. C’est un résultat prometteur, et Henry et ses collègues s’efforcent maintenant d’atteindre un objectif encore plus grand : faire évoluer cette technologie vers une centrale électrique de la taille d’un entrepôt qui pourrait être raccordée au réseau existant.

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