Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
La production d’électricité décarbonée est une nécessité qui appelle le développement de nombreuses technologies. La conversion thermophotovoltaïque consiste à réaliser une conversion directe d’énergie thermique par effet photovoltaïque. Cousine de la conversion photovoltaïque associée au rayonnement solaire, elle permet de récupérer de la chaleur radiative issue de sources de températures entre 500 et 2500 °C. Cet article en présente les principes élémentaires, la science et l’ingénierie, et les applications principales. Alimentés par une grande variété de sources d’énergie primaire, couplés à du stockage d’énergie sous forme thermique à très haute température (1000 à 2500 °C), et avec des rendements de cellules tendant vers 50 %, les systèmes thermophotovoltaïques offrent de nouvelles options pour une production décarbonée d’électricité.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Rodolphe VAILLON : Directeur de recherche au CNRS - LAAS-CNRS, Université de Toulouse, CNRS, Toulouse, France
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Pierre-Olivier CHAPUIS : Directeur de recherche au CNRS - CNRS, INSA-Lyon, CETHIL, UMR 5008, Villeurbanne, France
INTRODUCTION
La conversion thermophotovoltaïque permet de générer de l’électricité à partir d’énergie thermique rayonnée par un corps chaud porté à très haute température, typiquement supérieure à 1 000 °C. Elle s’inscrit dans un contexte où l’on cherche à valoriser des gisements de chaleur industrielle perdue et à proposer des solutions de production électrique décarbonée, à partir de sources d’énergie renouvelable mais sans la contrainte de l’intermittence, ce qui est possible grâce au stockage d’énergie sous forme thermique à très haute température. Les principes fondamentaux gouvernant la conversion thermophotovoltaïque sont similaires à ceux de la conversion photovoltaïque solaire. Cependant, il est nécessaire d’optimiser les échanges radiatifs entre le corps chaud et la cellule photovoltaïque. Ceci requiert une sélectivité spectrale, et conduit à ce que rendement et puissance électrique générée ne puissent pas être maximisés simultanément. Il faut donc faire appel à la science et à l’ingénierie des transferts radiatifs, de la conversion photovoltaïque et de la gestion de la chaleur pour concevoir judicieusement les éléments du convertisseur. Des rendements de paire supérieurs à 40 % ont été obtenus en conditions de laboratoire. La recherche académique et des entrepreneurs se concentrent sur le développement de batteries thermophotovoltaïques et de concepts avancés permettant de contourner certains verrous.
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Conclusion et perspectives3. Applications et technologies émergentes
Dans cette section, nous aborderons les applications qui impliquent ou requièrent la conversion thermophotovoltaïque (§ 3.1 et § 3.2) et les technologies proches ou en cours de développement à l’heure actuelle (§ 3.3), qui ont souvent pour but de remédier à certains défauts de la conversion TPV. Une application particulièrement prometteuse, à l’origine de la majorité des financements aujourd’hui, sera traitée indépendamment : le stockage par « batterie thermophotovoltaïque » (§ 3.2). Pour finir, un bref éclairage environnemental sur la conversion TPV sera apporté (§ 3.4).
3.1 Sources de chaleur et applications dédiées
Il est important de remarquer que les dispositifs thermophotovoltaïques les plus prometteurs sont essentiellement en développement à l’heure actuelle : il y a eu peu de commercialisation à ce jour, ou alors sur des applications de niche. L’une des raisons est le coût significatif des dispositifs à base de semi-conducteurs III-V. Cependant, différents prototypes ont été développés jusqu’à une étape proche de la maturité et seront mentionnés dans la suite. D’autres applications, dont le développement est moins avancé mais qui sont prometteuses, seront aussi abordées. Bien que le développement actuel soit sous-tendu par les besoins de la transition énergétique, toutes les applications ne sont pas neutres en émission de carbone.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - DATAS (A.), VAILLON (R.) - Thermophotovoltaic energy conversion. - In Ultra-High Temperature Thermal Energy Storage, Transfer and Conversion, Woodhead publishing, p. 285-309 (2021).
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(3) - SHOCKLEY (W.), QUEISSER (H.J.) - Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells. - In Journal of Applied Physics, 32, p. 510-519 (1961).
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(4) - ROUX (B.), LUCCHESI (C.), PEREZ (J.-P.), CHAPUIS (P.-O.), VAILLON (R.) - Main performance metrics of thermophotovoltaic devices: analyzing the state of the art. - In Journal of Photonics for Energy, 14, p. 042403 (2024).
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(5) - ROY-LAVINDE (B.), LIM (J.), ARNESON (C.), FORREST (S.R.), LENERT (A.) - High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells. - In Joule (2024). DOI:10.1016/j.joule.2024.05.002
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