Applications thermo´ electriques

La premi`ere application du ph´enom`ene thermo´electrique fut le thermocouple (1890). Il a fallu attendre plus d’un si`ecle et demi pour voir apparaˆıtre les premiers g´en´erateurs et r´efrig´erateurs thermo´electriques sur le march´e. Dans la pratique, la thermo´electricit´e permettrait de couvrir tout un ensemble d’applications dans des domaines tr`es vari´es (figure1.11).

Figure 1.11 – Exemples d’applications de g´en´eration d’energie par effet thermo´electrique : a) montre SEIKO [25] b) syst`eme de chauffage domestique solaire [26] c) r´ecup´eration d’´energie `a partir des gaz d’´echappement : BMW [27] d) appli-cations haute temp´erature : production d’´electricit´e `a partir des pertes dans les ´echangeurs e) RTG [28].

1.1. G ´en ´eralit ´es sur la thermo ´electricit ´e

Aux temp´eratures proches de l’ambiante (allant jusqu’`a 200°C), le refroidissement des composants ´electroniques est le secteur le plus porteur et les modules Peltier com-mencent `a remplacer les ventilateurs r´eput´es comme bruyants. Dans ce secteur, le CEA a conclu des partenariats avec des industriels. Avec les r´ecentes perc´ees en terme de cˆout et de performances, d’autres applications domestiques se d´eveloppent comme la ventilation m´ecanique contrˆol´ee pour les bˆatiments (VMC). Il y a aussi des ambitions dans le domaine de la conversion de l’´energie solaire (solar powered thermoelectric generator SPTG) [29].

Tableau1.1.4 : R´ecapitulatif des plages de temp´eratures de quelques installations industrielles.

Installations industrielles Temp´erature (^◦C) Aux moyenne temp´eratures

Four de traitement thermique 400-650 Moteur `a combustion 230-400 Chaudi`ere `a vapeur 230-480 Turbine `a gaz 370-540

Aux hautes temp´eratures

Centrales nucl´eaire 4ieme g´en´eration 500-850

Cimenterie 620-950

Incin´erateur (solide) 650-1000 Installation d’hydrog`ene 650-1000

Dans la gamme des moyennes temp´eratures, c’est le march´e de l’automobile ainsi que de la r´ecup´eration industrielle qui sont vis´es. D’autres exemples sont illustr´es dans le tableau 1.1.4. Les constructeurs automobiles sont `a l’affˆut de moyens qui permettraient une r´eduction de la consommation de leurs v´ehicules sachant que 33%6 de l’´energie du carburant est perdue au niveau de l’´echappement. La soci´et´e am´ericaine Amerigon ´equipe d´ej`a des v´ehicules qui produisent du froid pour rafraˆıchir les passagers par restitution d’une partie de l’´energie perdue [30]. Par ailleurs, la g´en´eration d’´energie ´electrique dans une automobile est une chaˆıne de processus `a faible rendement. En effet, l’´energie chimique du carburant est d’abord convertie en ´energie m´ecanique par le moteur, puis en courant ´electrique via un alternateur. Comme solution, les ing´enieurs de BMW Group d´eveloppent actuellement des modules pour convertir directement l’´energie thermique des gaz d’´echappement en courant ´electrique (figure1.11). Il y a quelques ann´ees encore, les g´en´erateurs thermo´electriques (TEG) ne convenaient pas au secteur automobile en raison de leur faible rendement. Les grands progr`es r´ealis´es dans le domaine de la recherche en mat´eriaux ont cependant permis d’accroˆıtre consid´erablement les performances de ces modules. Pour produire de l’´electricit´e dans le v´ehicule, un g´en´erateur thermo´electrique

6. Pour le secteur de l’automobile seul 30% de l’´energie du combustible est convertie en mouvement. 5% sont perdus par frottement, 24% dans le r´efrig´erant et 33% dans les gaz d’´echappement.

1.1. G ´en ´eralit ´es sur la thermo ´electricit ´e

est int´egr´e dans la ligne d’´echappement. Avec 200 W, la puissance ´electrique g´en´er´ee par ce syst`eme est encore faible mais la puissance de 1000 W est un objectif tangible avec des mat´eriaux innovants.

Figure 1.12 – Facteurs de m´erite des mat´eriaux thermo´electriques classiques [31] Jean Claude Tenenac Universit´e de Montpellier2

Aux hautes temp´eratures, par exemple, les RTG (Radioisotope Thermoelectric Genera-tor, figure 1.11) ont d´ej`a fait leurs preuves depuis des d´ecennies lors des missions spatiales de la NASA (agence spatiale am´ericaine) et de l’ESA (agence spatiale europ´eenne) en collaboration avec le CEA. Ils ´equip`erent surtout les sondes spatiales comme Cassini par exemple [32]. Ils sont l’unique solution sˆure et fiable loin de l’´energie solaire, l`a o`u le rendement des panneaux solaires est quasi nul. Contrairement `a une centrale nucl´eaire, les RTG utilisent seulement le rayonnement naturel du mat´eriau radioactif, sans r´eaction de fission en chaˆıne, ce qui exclut a priori les probl`emes de s´ecurit´e. Le combustible est consomm´e sur une longue p´eriode. Cependant cet exemple reste tr`es sp´ecifique et coˆuteux. Par ailleurs, c’est aux hautes temp´eratures o`u les pertes ´energ´etiques sont les plus ´

elev´ees, que la r´ecup´eration d’´energie permettrait de produire le plus de puissance ´

electrique mˆeme avec un faible rendement. C’est un march´e important pour l’essor de la thermo´electricit´e qui touche directement les industries avec des installations fonctionnant `

a haute temp´erature (centrale nucl´eaire, four, ...). Ce qui implique une augmentation de leur efficacit´e tout en abaissant la consommation ´energ´etique. Une baisse des coˆuts de fabrication de g´en´erateur TE devrait permettre un amortissement rapide et encourager les industriels `a une application massive. Selon une ´etude ´economique [33], le temps seuil de rentabilit´e des modules, actuellement de 5 ans, peut descendre jusqu’`a 3 ans en optimisant le choix des mat´eriaux utilis´es et leur conception.

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Les ´el´ements de masse atomique sup´erieure, lourds, ont du mal `a vibrer ce qui baisse consid´erablement leur conductivit´e thermique. Ce concept, datant des ann´ees trente, a permis d’identifier les ´el´ements des colonnes IV, V et VI du tableau p´eriodique comme les meilleurs candidats pour la thermo´electricit´e [15]. La figure 1.12 pr´esente un ´etat de l’art du facteur de m´erite de certains mat´eriaux thermo´electriques en fonction de la temp´erature d’utilisation (zone chaude). Une premi`ere cat´egorie repr´esent´ee par les mat´eriaux `a base de bismuth et d’antimoine se distingue pour les temp´eratures proches de l’ambiante. Les alliage `a base de tellure sont les plus adapt´es aux moyennes temp´eratures. Pour les temp´eratures de l’ordre de 800^◦C, les alliages SiGe sont les meilleurs candidats.

1.1. G ´en ´eralit ´es sur la thermo ´electricit ´e