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RÉSUMÉ
Les générateurs thermoélectriques permettent la conversion directe de l’énergie thermique en énergie électrique. Cet article présente les principes et propriétés de base de ces générateurs construits autour de modules thermoélectriques. Un inventaire de ces modules est développé. Des méthodes de conception de générateurs thermoélectriques sont présentées. Une application à la production d’électricité pour une cuisinière bois est détaillée. De nombreuses applications concernant l’espace, la production en milieu extrême, la récupération des énergies thermiques perdues, la production d’électricité décentralisée, la micro-production et l’utilisation de l’énergie solaire sont passées en revue.
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Daniel CHAMPIER : Maître de conférences - Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Électrique (SIAME) Université Pau et Pays de l’Adour (UPPA), Pau, France
INTRODUCTION
La récupération de la chaleur perdue pour produire de l’électricité sur les systèmes embarqués et la production d’électricité dans les zones ou emplacements non reliés à un système de production d’électricité centralisé sont des enjeux importants dans le contexte environnemental actuel. L’effet thermoélectrique est une des possibilités pour contribuer à la production d’électricité à partir de la chaleur.
Les générateurs thermoélectriques sont constitués d’un ensemble de modules thermoélectriques insérés entre deux échangeurs de chaleur. Chaque module thermoélectrique est ensuite constitué de quelques dizaines à centaines de couples de matériaux semi-conducteurs qui permettent de convertir directement une partie de la chaleur qui les traverse en énergie électrique.
Pendant de longues années les générateurs thermoélectriques ont été cantonnés à des applications spatiales : leur extrême fiabilité a justifié leur utilisation pour fournir l’électricité à la grande majorité des sondes envoyées dans l’espace (Voyager, Apollo, Pioneer, Curiosity…). Cependant leur coût élevé et leur faible rendement ont été un frein à leur développement pour des applications plus courantes. L’arrivée sur le marché en 2015 de nouveaux modules thermoélectriques offrant des plages de fonctionnement étendues, utilisant des matériaux à faible coût, non toxiques et à faible empreinte écologique ouvre des perspectives immenses pour les industriels.
Trois verrous principaux entravent le développement des générateurs thermoélectriques : les matériaux thermoélectriques, la réalisation de modules thermoélectriques et l’intégration des modules dans les systèmes afin de constituer des générateurs thermoélectriques efficaces.
Actuellement de nombreux laboratoires étudient de nouveaux matériaux massifs ou nanostructurés pour améliorer le rendement et réduire les coûts. Il y a peu de temps encore, le seul matériau disponible était le tellure de bismuth (Bi2Te3) aux performances certes intéressantes mais en quantités limitées (matériaux rares). Très récemment, des laboratoires ont annoncé des méthodes de production de nouveaux matériaux à faible coût et grande échelle notamment des skuttérudites, des Half-Heusler, des oxydes ainsi que des matériaux à base de silicium. Par ailleurs des matériaux aux performances très prometteuses ont été annoncés récemment. Cependant dans une perspective industrielle à moyen terme, il est beaucoup plus raisonnable d’étudier les perspectives offertes par les matériaux qui arrivent au stade de la production de modules, ayant des performances proches de l’actuel tellure de bismuth, mais qui sont compatibles avec nos exigences environnementales, ont des plages de températures d’utilisation plus grandes, sont plus légers, disponibles en très grandes quantités et qui devraient permettre de développer à court et à moyen terme des générateurs thermoélectriques économiquement rentables.
La production d’électricité par des modules thermoélectriques nécessite l’optimisation de l’ensemble de la chaîne depuis le générateur d’énergie thermique (source chaude et source froide) jusqu’à la conversion et l’éventuel stockage de l’énergie électrique.
L’objectif de cet article est de donner aux lecteurs les éléments essentiels pour envisager l’utilisation de générateurs thermoélectriques. La première partie présentera l’état de l’art en termes de modules thermoélectriques. La deuxième partie présentera les méthodes de conceptions de générateurs thermoélectriques optimisés dans l’objectif de répondre à la question « Quelle puissance électrique pouvons-nous récupérer sur notre système ? ». Un exemple d’application sera détaillé dans la troisième partie. La dernière partie sera consacrée à la présentation des multiples applications des générateurs thermoélectriques afin que le lecteur soit convaincu que chaque fois qu’il veut produire de l’électricité à partir de la chaleur, il est important de regarder les possibilités offertes par les générateurs thermoélectriques.
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Conception des générateurs thermoélectriques
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2. Modules thermoélectriques : état de l’art et nouveautés
Pendant de nombreuses années, les seuls modules thermoélectriques disponibles pour les applications industrielles à un coût abordable ont été les modules au tellure de bismuth (Bi2Te3). La conquête spatiale étant une exception qui a permis d’utiliser d’autres matériaux car le prix n’est pas un obstacle.
Ces modules Bi2Te3 sont produits par différents fabricants dans le monde. On peut citer HiZ (États-Unis), Marlow (États-Unis), TECTEG (Canada), Thermonamic (Chine), Lairdtech (États-Unis), KELK (Japon), QuickOhm (Allemagne) et Kryothem (Russie). Ce matériaux à un
proche de 1 à 50 °C qui décroît ensuite avec l’élévation de température. La température maximum d’utilisation des modules varie entre 200 °C et 300 °C suivant la technologie utilisée pour réaliser le contact entre les « jambes » thermoélectriques par divers fabricants. Le bismuth et le tellure sont des matériaux rares qui sont disponibles en trop faible quantité dans la croûte terrestre ou au fond des océans pour pouvoir permettre une diffusion des générateurs thermoélectriques à l’échelle mondiale. Un module de dimension 56 mm × 56 mm × 6 mm produit typiquement une quinzaine de watts lorsque sa face froide est à 30 °C et sa face chaude à 300 °C. Le prix varie entre 120 € et 30 € suivant les quantités achetées.
Les objectifs de la recherche et de l’industrie, ces dernières années, ont donc été de produire des modules thermoélectriques à très faible coût, avec des matériaux si possibles respectueux de l’environnement et disponibles en grandes quantités. Une plage de température élevée est aussi un critère important. Pour les applications embarquées dans le domaine aérospatial, le rapport poids/puissance est un critère supplémentaire.
La recherche et l’expérience ont permis de mettre au point de nombreux matériaux répondant à un certain nombre de ces critères. Une étude de ces différents matériaux est présentée dans une publication de S. Leblanc ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LeBLANC (S.) - Thermoelectric generators : Linking material properties and systems engineering for waste heat recovery applications. - Sustainable Materials and Technologies, Volume 1-2, p. 26-35, (2014).
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(2) - ZHENG (X.F.), LIU (C.X.), YAN (Y.Y.), WANG (Q.) - A review of thermoelectrics research – Recent developments and potentials for sustainable and renewable energy applications. - Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 32, p. 486-503, (2014).
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(3) - DATE (A.), DATE (A.), DIXON (C.), AKBARZADEH (A.) - Progress of thermoelectric power generation systems : Prospect for small to medium scale power generation. - Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 33, p. 371-381, (2014).
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(4) - LeBLANC (S.) et al - Material and manufacturing cost considerations for thermoelectrics. - Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 32, p. 313-327, (2014).
-
(5) - CHEN (S.), REN (Z.) - Recent progress of half-Heusler for moderate temperature thermoelectric applications. - Materials...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Radioisotope Thermoelectric Generator
http://solarsystem.nasa.gov/rps/rtg.cfm
Voyager, the interstellar mission
http://voyager.jpl.nasa.gov/spacecraft/index.html
HAUT DE PAGE
36th International Conference on Thermoelectrics – ICT2017
15th European Conference on Thermoelectrics – ECT2017
HAUT DE PAGEConstructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Constructeurs de modules
Hi-Z Technology
Thermonamic
Marlow
Lairdtech
Komatsu-Kelk
Evident Thermoelectric
Tegma
TECTEG...
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