Les technologies permettant de récolter l’énergie environnante sont un enjeu crucial pour le développement d’objets connectés énergétiquement autonomes. Une équipe internationale de chercheurs travaille au développement de générateurs thermomagnétiques. Cette technologie permettrait de transformer efficacement en électricité la chaleur perdue à basse température, même avec des écarts de seulement quelques degrés.
De nombreux procédés industriels sont conçus pour récupérer une partie de la chaleur qu’ils produisent. Si cette chaleur fatale peut être exploitée de différentes manières, plus la température est élevée, plus cette chaleur est facile à récupérer.
En revanche, la récupération d’énergie thermique sur la plage de température 10°C à 250°C est particulièrement difficile, car peu efficace. Bien que la production d’énergie thermoélectrique (TEG) soit la technologie de conversion la plus mature actuellement, elle s’avère fortement limitée sur cette gamme de température. Les systèmes TEG ont ainsi l’inconvénient de nécessiter des différences d’au moins 100°C pour atteindre un rendement de 5 %.
La génération d’énergie thermomagnétique : un concept ancien
Pour les différences de températures plus faibles, il existerait une solution plus efficace : utiliser des générateurs thermomagnétiques (TMG) basés sur des films d’alliages de Heusler.
Si les premiers brevets concernant les TMG ont été déposés il y a longtemps par Tesla et Edison, l’efficacité réelle des prototypes était bien en deçà des prédictions théoriques, car pour que cette solution soit efficace il faut :
- disposer d’un matériau possédant un coefficient ΔΜ/ΔΤ élevé ;
- un transfert thermique rapide.
Utiliser des films d’alliages de Heusler en Ni-Mn-Ga est la solution proposée par les chercheurs pour résoudre ces deux problèmes.
Dans une publication pour la revue Joule, l’équipe de chercheurs composée de membres de l’Institute of Microstructure Technology (IMT, Allemagne) et de la Tōhoku University (Japon) explique le fonctionnement de cette solution. Leur solution exploite les changements d’aimantation aux températures critiques des alliages de Heusler, des matériaux dont les propriétés magnétiques dépendent fortement de la température (coefficient ΔΜ/ΔΤ). Ces changements d’aimantation induisent un courant électrique dans une bobine, suivant le principe de l’induction.
Plus concrètement, le prototype qu’ils ont développé est assimilable à une poutre en porte-à-faux, sur laquelle est disposé un film d’alliage Ni-Mn-Ga. Ce film est à la fois utilisé pour convertir l’énergie thermique et provoquer une oscillation, sous l’effet d’un transfert thermique rapide.
Des résultats encourageants
D’après le professeur Manfred Kohl, à la tête du Smart Materials and Devices Group de l’IMT, les résultats obtenus sont encourageants :
« Nous avons réussi à multiplier la puissance électrique par un facteur de 3.4, en faisant passer l’épaisseur du film de 5 à 40 µm, pour atteindre 50 mW/cm², avec une différence de température de seulement 3°C. Ces résultats représentent une étape importante dans la récupération de chaleur à basse température (<100°C). »
Les prochaines étapes incluent le développement d’architectures parallèles, mais aussi le développement de nouveaux alliages de Heusler plus performants en dessous de 100°C.
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