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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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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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1. Principes de la conversion thermophotovoltaïque (TPV)
1.1 Contexte et enjeux
Afin de pouvoir continuer à vivre dans un environnement sain, l’humanité doit trouver des solutions couvrant ses besoins en énergie de manière propre, efficace et sûre. Dans ce contexte, réussir sans tarder la transition énergétique visant à réduire fortement l’utilisation de combustibles fossiles est un véritable enjeu. Pour y parvenir, un objectif majeur est la production d’électricité à très faible émission de gaz à effet de serre.
Les productions d’électricité nucléaire, hydraulique, éolienne et solaire contribuent actuellement à répondre à cet objectif. Cependant, les deux dernières options, qui utilisent des sources inépuisables à l’échelle humaine (qualifiées de renouvelables), sont limitées par l’intermittence des sources. Il en découle un besoin en stockage de l’électricité, dont la croissance sera proportionnelle à celle de la part de l’éolien et du solaire dans le mix électrique. Le stockage d’énergie sous forme thermique à très haute température (1 000 à 2 500 °C) émerge comme une option ayant l’avantage de la haute densité volumique et un coût raisonnable.
D’autre part, de nombreux procédés industriels de transformation sont réalisés à haute température, donnant lieu à des gisements de chaleur perdue (aussi dite fatale). Typiquement, cela concerne des fours sidérurgiques, des cimenteries, des incinérateurs, dont la température s’étale d’environ 500 à 1 700 °C. Il semble opportun de valoriser cette énergie thermique plutôt que de la laisser se dissiper dans l’environnement.
La possibilité de convertir directement la chaleur, fatale industrielle ou stockée d’origines diverses, en électricité par effet photovoltaïque (PV), appelée conversion thermophotovoltaïque (TPV), apparaît attrayante dans ces deux contextes. Elle se fait sans fluide et sans élément mobile, contrairement aux machines thermodynamiques mettant en œuvre une turbine, évitant ainsi de possibles fuites, le besoin de maintenance et d’éventuelles nuisances sonores. L’énergie thermique d’un corps chaud à haute température (> 500 °C) est transférée par rayonnement vers une cellule qui produit une puissance électrique suivant les mêmes principes qu’une cellule solaire photovoltaïque, avec toutefois...
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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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(2) - CAMPBELL (M.F.), CELENZA (T.J.), SCHMITT (F.), SCHWEDE (J.D.), BARGATIN (I.) - Progress toward high power output in thermionic energy converters. - In Advanced Science, 8, p. 2003812 (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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