Une alternative à votre alternateur

De nouveaux matériaux thermophotovoltaïques pourraient remplacer les alternateurs dans les automobiles et économiser le carburant.

Un générateur « thermophotovoltaïque » brûle l’essence pour chauffer un matériau qui émet de la lumière (appelé « radiateur »). La lumière est alors filtrée et convertie en électricité dans les cellules photovoltaïques. (Image de John Kassakian, MIT)

Du côté des chercheurs

Des chercheurs du MIT ont développé une nouvelle *  technologie pour convertir la chaleur en lumière et celle-ci en électricité, technologie qui pourrait éventuellement économiser le carburant des véhicules en remplaçant les alternateurs moins performants et aussi les systèmes électriques qui pourraient tourner le moteur arrêté.

La technologie, appelée thermophotovoltaïque, utilise de l’essence pour chauffer un matériau émetteur de lumière, en l’occurrence du tungstène. Une cellule photovoltaïque convertit alors la lumière en électricité. L’idée a été lancée une première fois en 1960, dit John Kassakian, professeur en science informatique et en ingénierie électrique. Mais jusqu’à maintenant, les émetteurs de lumière pour les cellules photovoltaïques produisent des systèmes inefficaces et très coûteux. Des progrès dans les matériaux utilisés dans ces appareils récents - progrès possibles parce que les chercheurs peuvent modifier leur structure à l’échelle nanométrique – en font maintenant des systèmes beaucoup plus efficaces, dit Kassakian.

Selon Kassakian, le système pourrait être potentiellement une manière plus efficace de produire de l’électricité dans un véhicule que celle basée sur l'alternateur actuel qui gaspille l'énergie suivant deux étapes : le moteur à combustion interne convertit à 30 % seulement l’énergie du carburant en mouvement, et ensuite l’alternateur est efficace à seulement 50 % en convertissant l’énergie mécanique en électricité. Il dit qu’un petit matériel photovoltaïque prototype qui confirmerait l’efficacité de ce système amélioré serait prêt dans un an.

Les chercheurs ont modifié la structure de la surface de l’émetteur de lumière, en le gravant à l’eau forte à l’échelle nanométrique pour accorder précisément les ondes de la lumière émises à celles de la cellule photovoltaïque afin qu’elle puisse exécuter la conversion avec la plus grande efficacité. En outre ils ont affiné le matériel à l’aide de filtres qui accompagnent les ondes de lumière voulues pour passer à travers les cellules photovoltaïques, mais réfléchissent les autres ondes de l’émetteur de lumière. La lumière réfléchie est porteuse d'une énergie qui aide à conserver la chaleur de l'émetteur, ce qui réduit en amont le besoin en carburant. 

De plus, pour remplacer l’alternateur avec un module thermophotovoltaïque, dit Kassakian, la technologie pourrait être intégrée au  système d’air conditionné dans des véhicules qui ne requièrent pas de compresseur. Parce que la charge du moteur serait significativement diminuée, il serait alors possible d’arrêter le moteur quand le véhicule est à l’arrêt et de le redémarrer facilement. Les hybrides actuels utilisent cette technique pour économiser le carburant, mais exigent de grosses batteries pour fournir l’électricité pour la radio et l’éclairage, ou pour redémarrer le moteur. Avec le nouveau système du MIT, ces batteries ne seraient plus nécessaires.

 * pas si nouvelle puisque la conversion de chaleur en électricité remonte à1821, mais les matériaux thermoélectriques n’étaient pas assez efficaces pour les utiliser couramment, seules quelques sondes spatiales en avaient

source : http://www.techreview.com/

Du côté des industriels et du Ministère de l’Energie aux USA

Cette technologie quasiment défunte se voit maintenant réactivée grâce aux avancées dans les nanotechnlologies. Des constructeurs automobiles tels que Genéral Motors et BMW s’intéressent à la thermoélectricité pour les véhicules de demain.

Francis Stabler, le plus ancien analyste de chez GM  a dit récemment lors d’un congrès de la Société de Recherche en Matériaux (en février 2006) : « Je pense maintenant que la thermoélectricité a de bonnes chances de succès ».

Il faut encore que les chercheurs trouvent le moyen de faire couramment des matériaux peu coûteux, avant qu’ils ne puissent être répandus largement. Mais certaines utilisations ponctuelles pourraient apporter une aide.

Déjà Amerigon un fabricant de Deerborn a vendu plus d’un million de systèmes de chauffage et de refroidissement de sièges de voitures qui utilisent une ancienne version de cette technologie. Avec de l’électricité, les matériaux thermoélectriques opèrent un transfert de chaleur et chauffent ou refroidissent une zone choisie, selon le sens du courant.

Si l’on arrive à fabriquer la prochaine génération de matériaux thermoélectriques à moindre coût, ils pourront être utilisés dans d'autres applications.  Placés, par exemple, autour du tuyau d’échappement des voitures, ils pourraient récupérer la chaleur gaspillée afin de produire de l’électricité.

Au début, on pourrait utiliser cette production pour faire un complément à celle produite par l’alternateur du véhicule, ce qui rendrait possible de faire fonctionner davantage d’appareils électriques sans demander au moteur des efforts supplémentaires.

Si la technologie s’avère fiable, ce que dit M Stabler, elle pourrait plus tard remplacer aussi l’alternateur, faire marcher les pompes à eau et à huile, ce qui soulagerait le travail du moteur, renforcerait les performances, en économisant du carburant.

John  Fairbanks, directeur du développement technologie au Ministère de l’Energie Américain suggère que si seulement tous les véhicules de GM utilisaient cette technologie, cela ferait environ une économie de 100 millions de gallons (1 gallon = 3,785 litres) d’essence par an.

Les matériaux thermoélectriques sont pratiquement tous faits de semi-conducteurs. Ils doivent être bons conducteurs de l’électricité, et permettre aux électrons de s’éloigner d’une source de chaleur produisant ainsi un courant électrique. Mais ces matériaux doivent aussi être de mauvais conducteurs de la chaleur sinon ils s’échaufferaient et la différence de température qui entraîne les électrons disparaîtrait. Le défi porte donc sur le fait que l’augmentation de conductivité électrique va de pair avec celle de la chaleur.

C’est la connaissance croissante de la manière de structurer les matériaux (nano matériaux) qui pourrait fournir une solution. Les chercheurs ont créé par exemple des matériaux dont les réseaux moléculaires font obstacle aux vibrations de la chaleur, éloignent la chaleur de la conduction thermique tout en permettant aux électrons de circuler librement.

Mr Stabler pense que des générateurs thermoélectriques peuvent porter un coup dur à des systèmes comme les générateurs turbo et chargeurs turbo qui prennent aussi de l’énergie à l’échappement. Ces systèmes sont en compétition pour améliorer  l’efficacité des carburants, mais c'est pour  le court terme.

«  La thermoélectricité peut avoir de meilleurs gains en efficacité à long terme » dit M Stabler, qui ajoute «  il y a toujours de la chaleur gaspillée ».

Selon M Fairbanks du Ministère de l’Energie aux USA, les générateurs thermoélectriques ont même une chance de pouvoir battre un jour les moteurs à combustion interne.

 M Stabler est bien d’accord avec ça, mais il prévient qu’il y a encore du chemin à faire, comme dans toute application de nouvelle technologie. Il se pourrait bien qu’il s’écoule encore une huitaine d’années, mais ne soyez pas surpris si un jour des voitures arrivent avec une énergie supplémentaire provenant de la chaleur de l’échappement. « Cette capacité de production d’énergie à partir de la chaleur gaspillée retiendra certainement l’attention : ce serait bon pour l’environnement » dit M Stabler.  

Source : Kevin Bullis, Technology  Review, Feb. 21, 2006
http://www.technologyreview.com/read_article.aspx?id=16402