Générateurs thermoélectriques : de la conception aux applications

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.