Yonne Lautre

« Récupération de la chaleur perdue pour sauver le climat » par le Dr. Mae-Wan Ho

Traduction & compléments de Jacques Hallard
mercredi 27 janvier 2010 par Hallard Jacques, Ho Mae-Wan Dr

Des dispositifs thermoélectriques qui récupèrent la chaleur perdue pour produire
de l’électricité, qui améliorent l’efficacité de la consommation des carburants et des
combustibles et qui remplacent, comme réfrigérant, un dangereux gaz à effet de
serre. Dr. Mae-Wan Ho

  ISIS Climat Energie thermoélectrique Récupération de la chaleur perdue pour sauver le climat

Rapport de l’ ISIS en date du 22/04/09

Une version complète, avec références et illustrations, de cet article intitulé Harvesting Waste Heat to
Save the Climate, est accessible par les membres de l’ISIS sur le site http://www.i-sis.org.uk/harvestingWasteHeat.php

Une version électronique du rapport complet peut être téléchargée à partir du magasin en ligne d’ISIS.


Les informations fournies sur le présent site ne peuvent être reproduites sous aucune forme sans autorisation explicite.
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 La récupération d’électricité à partir de la chaleur perdue

Le constructeur automobile BMW va de l’avant avec sa technologie automobile de deuxième
génération efficace ‘Dynamics’, une voiture verte qui récupère la chaleur émise par
l’échappement et la transforme en électricité [1]. Le dirigeant de BMW en matière de
développement, Klaus Draeger, dit qu’il va améliorer l’économie de carburant d’environ 5 pour
cent sur le cycle combiné, et que cette voiture devrait être présente dans les halls d’exposition
en 2014.

Le secret réside dans l’usage d’un générateur thermoélectrique (TEG) semblable à celui que
l’on a dans les satellites, qui fournit l’énergie nécessaire à leur fonctionnement. En utilisant la
chaleur perdue dans les gaz d’échappement du moteur, près de 200W pourraient être générés.
En 2008, un autre constructeur automobile, GM, avait déjà annoncé qu’ils allaient produire un
prototype de voiture thermoélectrique en 2009 [2]. Le chercheur de GM, Jihui Yang, avait
indiqué que la récuparation de la chaleur par un dispositf thermoélectrique, pourra, à partir de
l’échappement des gaz, produire 800 W d’électricité lorsque sa voiture ‘Suburban’ roule en
vitesse de croisière d’environ 50 à 60 miles par heure.

John Fairbanks, du Département américain de l’Environnement a annoncé que le générateur
thermoélectrique devrait être sur le point d’entrer en production dans environ trois ans. Le
prototype ‘FreedomCar’ du Département américain de l’énergie, est prévu à la fois pour les
voitures et les camions, afin de permettre une économie globale de carburant de 10 pour cent
[3].

La récupéaration de chaleur est particulièrement fascinante parce que la chaleur est
normalement l’aboutissement d’un cycle, dans la mesure où il s’agit d’une transformation de
l’énergie. En transformant cette chaleur en énergie utile, le recyclage de la chaleur récupérée
augmente l’efficacité énergétique globale. (Cela la rapproche de la thermodynamique
circulaire des organismes vivants et des systèmes durables [4] (voir The Rainbow and the
Worm, The Physics of Organisms, ISIS publication.)

Une autre application qui entre en première ligne, réside dans le refroidissement de l’air et la
réfrigération, en remplacement des besoins couverts par le réfrigérant R-134 qui est l’un des
gaz à effet de serre couramment utilisé dans les habitations et dans les systèmes de
climatisation automobile [3] ; ce gaz à effet de serre présente un potentiel de réchauffement
qui est 1.430 fois plus élevé que celui du CO2. Il sera interdit dans les nouvelles voitures
européennes d’ici à 2011 et le Département américain de l’énergie a récemment annoncé un
programme à coûts partagés de 13 millions $ US pour développer une technologie
thermoélectrique pour le refroidissement.

Ce qui rend possible à la fois la récupération de la chaleur et les applications de
refroidissement, est l’effet thermoélectrique (TE), c’est-à-dire la conversion des différences
de température en électricité et vice versa. Un générateur thermoélectrique crée une tension
électrique quand il y a une différence de température de chaque côté. A l’inverse, lorsqu’une
tension, une différence de potentiel, est appliquée, elle crée une différence de température.

C’est pourquoi cet effet peut être utilisé pour produire de l’électricité, ou encore comme une
pompe à chaleur pour chauffer ou refroidir des objets et des espaces (voir encadré 1 ci-
dessous pour plus de détails) ; cela dépend de matériaux semi-conducteurs qui présentent
des états solides thermoélectriques TE particuliers.

 Encadré 1

L’effet thermoélectrique et ses applications [5-9]

L’effet thermoélectrique (TE) convertit la différence de température en électricité et vice
versa. Historiquement, cet effet résulte de la combinaison de trois observations
différentes.

Le physicien prussien Thomas Johann Seebeck (1770-1831), a découvert l’effet Seebeck
en 1821. Une aiguille de boussole est déviée lorsqu’elle est placée à proximité d’un circuit
fermé formé de deux conducteurs métalliques dissemblables, dont les deux jonctions ont
été maintenues à des températures différentes. L’ampleur de la déviation (indicateur d’un
champ magnétique) est proportionnelle à la différence de température et au type de
matériau conducteur, mais pas en fonction de la distribution de température le long des
conducteurs. Le coefficient de Seebeck est défini comme la tension en circuit ouvert,
produite entre deux points d’un conducteur, lorsqu’une différence de température
uniforme de 1 K existe entre les deux points.

L’effet Peltier fut décrit en 1834 par le physicien français Jean Charles Athanase Peltier
(1785-1845) : il se réfère à des effets thermiques au niveau des jonctions de conducteurs
dissemblables, quand un courant électrique passe entre les matériaux. La chaleur est
absorbée ou produite au niveau des jonctions, en fonction du sens du courant.

L’effet Thomson avait été prédit et il fut observé par la suite expérimentalement par
Willian Thomson, plus tard Lord Kelvin (1824 - 1907) en 1851. Il décrit la chaleur générée
ou absorbée dans un conducteur transporteur de courant et soumis à un gradient de
température. Les trois effets thermoélectriques TE ont par la suite été reliés entre eux par
la relation de Kelvin.

Plus tard, en 1909 et 1911, le physicien allemand Edmund Altenkirch a montré que de
bons matériaux thermoélectriques devaient posséder des coefficients Seebeck élevés, une
conductivité électrique élevée (pour minimiser la chaleur par effet Joule dû à la résistance
électrique) et une faible conductivité thermique (pour garder la chaleur au niveau des
jonctions et pour maintenir un gradient de température élevé). Ces trois propriétés ont été
ultérieurement incorporées dans une formule dénommée « figure de mérite », zT :

(1)
où S est le coefficient de Seebeck du matériau (mesuré en microvolts/K), σ est la
conductivité électrique, κ sa conductivité thermique et T, est la température en degré K.

Le développement des semi-conducteurs dans les années 1920 avec des coefficients
Seebeck de plus de 100 microvolts / K, ont accru l’intérêt pour la thermoélectricité. Le
physicien russe Abram Ioffe Fedorovich (1880-1960) a montré en 1929 qu’un générateur
thermoélectrique utilisant des semi-conducteurs, pouvait atteindre un rendement de
conversion de 4 pour cent, avec une amélioration possible dans sa performance par la
suite. Dans les années 1950, Ioffe et ses collègues ont élaboré la théorie de la
conversion thermoélectrique.

Les dispositifs thermoélectriques sont en production depuis la fin des années 1950, en
commençant par les applications militaires, telles que les capteurs des systèmes
d’imagerie infrarouge pour les missiles détecteurs de chaleur et les systèmes de vision
nocturne.

Le développement de matériaux générateurs de thermoélectricité à haute
température, à base de silicium-germanium, conduisit à la production des moteurs
thermiques pour les applications spatiales, sans pièces mobiles, qui pourraient fonctionner
en l’absence de lumière du soleil. Toutes les sources de puissance pour les sondes
spatiales (pour des échantillons de l’espac) des Etats-Unis et de l’ex-URSS, ont utilisé des
moteurs à chaleur thermoélectrique TE, pour transformer la chaleur produite par des
matières nucléaires fissiles, en électricité.

Les dispositifs thermoélectriques TE sont actuellement en production de masse pour le
refroidissement, le chauffage et les applications de contrôle de température. Des modules
TE miniatures maintiennent les diodes laser à température constante pour stabiliser les
longueurs d’onde en fonctionnement.
Les systèmes de réactions de polymérisation en
chaînes [PCR] utilisent des dispositifs TE pour réaliser les cycles thermiques successifs de
réactions enzymatiques, avec des quantités de substrat de l’ordre du microlitre, grâce à
des séries exactes de cycles de températures.
_ Les systèmes de contrôle climatique ont été développés pour refroidissement rapide de
sièges pendant l’été, ainsi que pour le chauffage tout aussi rapide en hiver. Des
équipemnts portables pour les boissons et des glacières de pique-nique ont été les
premières applications commerciales. Des systèmes personnels de contrôle de
température, qui permettent le refroidissement et le chauffage pour le bureau, sont
apparus sur le marché, tout comme des systèmes de refroidissement thermoélectrique TE,
pour les équipements et cartes d’ordinateurs.

Une des applications principales est la puissance en énergie utilisée pour les systèmes de
communication de données à distance, pour les pipelines de pétrole et de gaz, pour les
générateurs d’électricité polaires, les stations météo et la protection cathodique des
plates-formes de forage pétrolier.
Les générateurs thermoélectriques TE sont choisis pour
ces applications en raison de leur fiabilité éprouvée (souvent sans entretien pendant 20
ans), pour leur durabilité dans des conditions extrêmes, et une stabilité de leurs
performances, sans dégradation au cours du temps, sur toute leur durée de vie utile.

  Les dispositifs thermo-électriques

Le plus simple appareil thermoélectrique se compose d’un couple TE, de deux semi-
conducteurs dissemblables, un de type p et l’autre de type n [5]. Il est connecté en série
électriquement et en parallèle thermiquement. Pour obtenir un générateur thermoélectrique
, la chaleur est absorbée d’un côté du couple et rejetée de l’autre côté. Un
courant électrique est produit proportionnellement au gradient de température entre les
jonctions chaudes et froides. Le courant électrique est propagé par des électrons dans le semi-
conducteur de type n et par des trous qui se déplacent dans le sens opposé, au sein du
conducteur de type p.

Si une tension est appliquée au couple thermoélectrique TE à travers et dans la bonne
direction, les paires d’électron-trou sont créées à proximité de la
jonction pn.

Les électrons vont se déplacer de la jonction dans la matière du n-type, de même
que les trous dans le matériau de type p, absorbant la chaleur au cours du processus et en
refroidissant la jonction. Les électrons et les trous se recombinent à l’extrémité opposée, en
produisant de la chaleur. Ainsi, cela aura pour effet d’absorber la chaleur de la jonction froide
vers la jonction chaude.

La jonction froide va rapidement descendre en dessous de la
température ambiante, la chaleur produite est déplacée à partir de la partie chaude. Le
gradient de température varie en fonction de l’amplitude d’un courant appliqué.

Les dispositifs thermoélectriques sont faciles à construire et robustes pendant leur
fonctionnement. Le principal inconvénient est leur faible efficacité. Une expression sans
dimension intitulée « facteur de périte zT », exprime l’efficacité des matériaux semi-
conducteurs qui composent le couple TE (voir encadré 1).

Dans les meilleurs modules
commerciaux actuels, chauffants et refroidissants, zT est d’environ 1,0 [9], ce qui donne un
rendement d’un quart de celui des systèmes conventionnels de climatisation par air utilisant un
fluide à double phase, gaz / liquide, dans lesquels les parties du système qui opèrent le rejet de
la chaleur et le refroidissement, peuvent être largement séparés, et où des différences de
température importantes ne conduisent pas à l’afflux d’une température élevée qui détruit
l’efficacité des systèmes de génération thermoélectrique TE.

Le système idéal
thermoélectrique TE augmente l’efficacité du système de façon non linéaire avec zT ; ainsi,
pour doubler l’efficacité, zT doit augmenter d’environ 2,2, et pour parvenir à quadrupler
l’efficacité et égaler l’efficacité des réfrigérateurs actuels, zT devrait augmenter à plus de 9,2.
En 1993, avec le projet du bureau du gouvernement américain de la Recherche Navale et de la
Recherche Militaire Avancée, les chercheurs ont été invités à proposer des améliorations de ZT
pour des applications dans le refroidissement et le chauffage.

Il en a résulté des efforts
importants, consacrés à la fabrication de nouveaux matériaux semi-conducteurs et dans la
conception des modules. Seules trois tentatives ont produit des valeurs zT au-delà de 2 [9],
mais les savoir-faire sont encore confinés dans les laboratoires.
En 2008, les chercheurs ont stimulé la zT des ensembles de matériaux semi-conducteur à 1,5
(voir encadré 2), ce qui permet de commencer à fabriquer des dispositifs thermoélectriques
commercialement viables, en particulier à petite échelle, et en combinaison avec d’autres
améliorations de la conception (voir ci-dessous).

  Renforcement de l’efficacité des semi-conducteurs thermoélectriques

L’efficacité des convertisseurs d’énergie thermoélectrique est limitée par le facteur de mérite
ZT (voir encadré 1). Une approche prometteuse pour accroître zT consiste à créer des
matériaux avec une morphologie à l’échelle nanométrique, pour abaisser considérablement la
conductivité thermique par la dispersion des phonons.

Des treillis composites (superlattices) de ‘quantum-dots’ ont indiqué des valeurs de ZT
supérieures à 2, et des nanofils de silicium ont atteint une telle réduction « que le facteur de
mérite zT se rapproche de celui des matériaux commerciaux ». Mais ces matériaux sont
encore au stade expérimental et ne sont pas encore utilisés dans du matériel courant pouvant
être exploité commercialement.

En 2008, deux équipes de recherche ont signalé une amélioration de zT significative chez des
matériaux semi-conducteurs qui sont beaucoup plus proches d’une mise en marché.
L’équipe de recherche dirigée par les scientifiques américains Gang Chen du MIT de
Cambridge, et Zhifeng Ren du Boston College Chestnut Hill, dans le Massachusetts, a fortement
amélioré le ‘facteur de mérite’ zT, simplement par des ensembles de billes cristallines de type
p avec un composé à base de tellure de bismuth et d’antimoine, Bix Sb2-x Te3, et en pressant à
chaud les nanopoudres sur des disques solides [10].

Lors d’un essai, ces solides ont donné un pic zT de 1,4 à 100° C. Le renforcement de zT est le
résultat d’une réduction significative de la conductivité thermique due à une forte diffusion des
phonons par les interfaces dans les nanostructures.
Outre le pic zT de 1,4 à 100° C, le matériau a présenté un zT d’environ 1,2 à la température
ambiante et de 0,8 à 250° C. En comparaison, les matériaux classiques utilisés
commercialement et à base de Bi2 Te3 ont un ‘facteur de mérite’ zT avec un pic d’environ 1 à la
température ambiante et de l’ordre de 0,25 à 250° C.

La valeur élevée de zT avec ce matériau dans la plage des 25° C à 250° C, rend celui-ci
attrayant pour des applications de récupération de chaleur résiduelle dans de faibles
températures, telles que (comme cela est suggéré par ailleurs) la récupération de la chaleur
humaine pour alimenter des appareils électriques [11] !
Une autre équipe de recherche dirigée par Joseph Heremans à l’Ohio State University,
Columbus, aux États-Unis a adopté une autre approche, en travaillant sur le matérieau de type
p au tellure de plomb PbTe. Sa conductivité thermique minimale est déjà assez basse, et ils ont
décidé que des progrès doivent provenir d’autres sources, dans le numérateur de l’équation
(1), comme le coefficient S de Seebeck.

Cette équipe de recherche a réussi simplement en pratiquant un dopage du tellure de plomb
PbTe avec du thallium [12]. A un niveau de dopage à 2 pour cent de thallium, le ‘facteur de
mérite’ zT a été porté à 1,5 à une température de 773 K, et il est toujours croissant
Il semble que le thallium modifie la densité des électrons dans le matériau, l’augmentant pour
la porter sur une bande étroite, ce qui est probablement dû à la bande de valence de l’hôte
semi-conducteur, en résonance avec un niveau d’énergie d’un atome de thallium localisé dans
la matrice du semi-conducteur. La gamme des températures où le matériau TlPbTe présente de
hautes valeurs de zT est particulièrement attrayante pour la production d’électricité provenant
de sources de chaleur telles que des rejets gazeux émis par l’échappement des véhicules
automobiles.

A part l’augmentation du zT par la nature des matériaux, il est possible d’apporter des
améliorations de conception importantes pour l’efficacité thermodynamique et de réduire les
pertes parasitaires. Quelques exemples sont donnés par Lon Bell [9] de BSST, une société
basée à Irwindale, en Californie. En utilisant un modèle à contre-courant, la chaleur
transportée d’un fluide à un autre est modifiée par des moteurs thermoélectriques TE.

Dans le mode refroidissement / chauffage (Fig.3 en haut), les éléments TE améliorent la
quantité de chaleur de telle sorte que l’un des courants de fluide opposé est chauffé et l’autre
est refroidi, le rendement peut être environ le double de celui d’un seul module avec tous les
éléments à la même température.
Dans le mode de génération d’électricité, (Fig. 3 en bas), les gains d’efficacité sont d’environ 30
pour cent par rapport à un moteur thermique thermoélectrique TE, dans lequel le fluide de
travail entrant est brûlé sans être préchauffé par la partie des pertes du dispositif.

Cette
conception est encore un autre exemple de la thermodynamique circulaire des organismes
vivants dont j’ai parlé précédemment [4].

Les cycles peuvent être combinés à des matiriaux présentant des valeurs élevées de zT, pour
combiner les gains de performance.

Une nouvelle amélioration possible est de réduire la quantité de matériaux utilisés pour la
construction. Dans les appareils réels, les performances du système se dégradent lorsque
l’appareil est de plus petite taille, parce que l’impact relatif des parasites électriques et les
mécanismes de déperdition de chaleur augmentent à mesure que la taille diminue. En outre,
les tolérances de fabrication et les exigences d’isolation électrique imposent des contraintes
pratiques quant à la taille de l’appareil.

Une alternative réside dans une configuration avec un empilement des éléments
thermoélectriques TE, par exemple, ce qui réduit les pertes parasites des connexions
électriques, et mieux encore, s’il est utilisé en combinaison avec une réduction de la résistance
électrique aux interfaces shunt / matériau thermoélectrique TE.

Dans les conditions de nombreuses pratiques de fonctionnement, le poids du matériau
thermoélectrique TE utilisé peut être réduit par un facteur de 6, et jusqu’à un facteur de 25. La
configuration empilée, par exemple, réduit considérablement les coûts des matériaux pour un
système de haute capacité. Pour les systèmes thermoélectriques TE, utilisables pour le
refroidissement et le chauffage, la configuration traditionnelle offre un coût compétitif jusqu’à
environ 400 watts de sortie, mais la puissance augmente jusqu’aux environs de 4 000 watts
avec un conception avec empilement des unités de base.

  Les applications de la thermoélectricité sont à notre portée

Une valeur moyenne du ‘facteur de mérite’ zT dans la gamme de 1,5 à 2 permettrait une
récupération considérable de chaleur perdue, ainsi que des applications pour la production
primaire d’électricité. Divers programmes soutenus financièrement par des gouvernements
sont en cours aux Etats-Unis et au Japon, afin d’augmenter le rendement en kilométrages
parcourus par le véhicule, par la conversion d’une fraction de la chaleur émise et rejetée dans
l’échappement des camions et des voitures, en énergie électrique (voir ci-dessus).

L’électricité
ainsi produite serait disponible pour alimenter la direction assistée, les freins, les pompes à
eau, les chargeurs turbo et pourraient remplacer les autres sous-systèmes des véhicules tels
que l’alternateur, réduisant ainsi le poids transporté. L’objectif d’une réduction de carburant
consommé de 10 pour cent est à notre portée [9].

Les gains de 5 à 10 pour cent seraient possibles avec un cogénérateur diesel / électricité de
petite puissance, tels que ceux qui sont largement utilisés dans les pays développés, ainsi que
pour des cogénérateurs, générateurs d’électricité primaire de 5.000 à 20.000 W dans les pays
en développement. Dans un autre concept de cogénérateur proposé, le spectre solaire est
divisée en longueurs d’onde plus courtes, ce qui permet un haut rendement de conversion
photovoltaïque, d’une part, et de longueurs d’onde plus longues qui réchauffent un générateur
thermoélectrique TE.

Une autre application possible, que je suggère d’utiliser, repose sur l’emploi de la chaleur
émise par une réaction nucléaire à basse énergie (aussi dénommée ‘réactions nucléaires
de la matière condensée’, ou encore ‘fusion froise’) [13, 14] (voir From Cold Fusion to
Condensed Matter Nuclear Science, SiS 36 ; Low Energy Nuclear Reactions for Green Energy ,
SiS 41)

La récupération de la chaleur à partir des rejets industriels dans des secteurs comme les
fonderies d’aluminium, la fabrication du verre et du ciment, est d’usage pratique avec un
‘facteur de mérite’ zT de 2. À la même valeur de zT, la récupération de chaleur peut être
également possible pour remplacer les petits moteurs à combustion interne, tels que ceux qui
sont utilisés dans les tondeuses à gazon, les souffleuses, ainsi que de petits bateaux à moteur
hors-bord avec l’aide de moteurs à combustion externe et un générateur thermoélectrique TE ;
ces moteurs seraient très peu bruyants et presque exempts de vibrations. Ils fonctionneront
avec un large éventail de carburants, comme le propane, le butane, le gaz naturel (y compris le
méthane issu du biogaz [15] [15] The Biogas Economy Arrives, SiS 40) ; et tout cela va
contribuer à nous libérer des carburants et des combustibles fossiles.

Si le ‘facteur de mérite’ zT atteint une moyenne de 2, il sera alors pratiquement possible
d’utiliser commercialement des systèmes thermoélectriques pour l’air conditionné, la
ventilation et le chauffage par air chaud dans les pièces et les habitations. Le réfrigérant R-
134a poura même être remplacé par ces nouvelles technologies reposant sur la
thermoélectricité.

En raison de leur robustesse, de leur portabilité et de leur capacité à être alimentés en
électricité, les systèmes thermoélectriques TE devraient permettre des possibilités de contrôle
de la température, plus efficaces et plus performants, dans de nombreux types de véhicules, y
compris dans les voitures, dans les camions, dans les trains et dans les avions.

The Institute of Science in Society, The Old House 39-41 North Road, London N7 9DP
telephone : [44 20 7700 5948] [44 20 8452 2729]
Contact the Institute of Science in Society www.i­sis.org.uk/

 Définitions et compléments

Traduction en français, définitions et compléments :

Jacques Hallard, Ing. CNAM, consultant indépendant.

Relecture et corrections : Christiane Hallard-Lauffenburger, professeur des écoles
honoraire

Adresse : 19 Chemin du Malpas 13940 Mollégès France

Courriel : jacques.hallard921 orange.fr

Fichier : ISIS Climat Energie thermoélectrique Harvesting Waste Heat to Save the Climate French version.4

PDF (Traduction en français, définitions et compléments ) sur demande à yonne.lautre laposte.net


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