Généralités sur la conversion de l’énergie thermique en énergie électrique

Avec l’émergence de l’industrie 4.0 et l’envahissement des technologies de l’information et de la communication (TIC), le monde subit une transition graduelle vers un contrôle intelligent des différentes commodités de vie. Ce nouvel aspect génère un accroissement des flux de données échangées et une variété des types d’informations collectées. Accentuée par la démarche progressive au nom de ‘More than Moore’, les dispositifs électroniques sont devenus miniaturisés. Ainsi, les infrastructures de communications et les dispositifs intelligents associés sont  devenus de plus en plus énergivores. Selon la société BP, la part de l’énergie utilisée pour la génération de l’électricité augmentera et atteindra 47% d’ici 2035 (BP, 2017). Cette augmentation de la consommation électrique est alarmante. Elle suscite une stratégie d’économie d’énergie appropriée axée sur d’une part, la production de l’électricité verte et, d’autre part, la conception de systèmes plus énergétiquement efficaces.

Dans ce contexte, une récupération des pertes thermiques des dispositifs télématiques et une amélioration de leurs performances s’imposent. En effet, le domaine des TIC présente des menaces pesantes sur notre environnement avec une contribution totale dans l’empreinte carbone estimée à 14% (Belkhir & Elmeligi, 2018) de l’empreinte carbone mondiale du niveau de l’année 2016 d’ici 2040. Cette émission croissante de gaz à effet de serre est d’autant plus visible à travers la contribution des centres de données et des téléphones intelligents dans l’empreinte carbone totale des TIC. Par suite, la valorisation de la chaleur contribue à la lutte contre le réchauffement climatique. De plus, la récupération de la chaleur dissipée procure des profits économiques prometteurs dans la mesure où ces systèmes plus efficaces auront une durée de vie importante et ainsi, ils sont de plus en plus compétitifs. En outre, l’essor de ce marché implique certaines exigences de réduction des coûts conjointement à une baisse de consommation énergétique ce qui permettra de diminuer la facture énergétique tout en conservant l’originalité du dispositif.

Généralités sur la conversion de l’énergie thermique en énergie électrique 

Cette section décrit les méthodes possibles pour la conversion de l’énergie thermique en énergie électrique : nous introduisons les principaux phénomènes physiques responsables de la génération de puissance ainsi que des exemples de générateurs développés en littérature tout en mettant en évidence l’importance des matériaux piézoélectriques pour la récupération de l’énergie thermique.

Conversion directe

Toute transformation directe de l’énergie thermique en énergie électrique est basée sur un phénomène physique permettant un couplage entre les grandeurs thermiques et les grandeurs électriques exercées sur des matériaux. Dans un premier temps, nous distinguons l’effet thermoélectrique direct ou encore l’effet de Seebeck. Cet effet est découvert en 1821 par le physicien allemand Thomas Johann Seebeck (Williams, 2016). Il consiste à transformer un gradient spatial de température en électricité. Le principe de la transformation repose sur l’assemblage de deux matériaux conducteurs distincts  thermiquement en parallèle. Au bout des deux jonctions obtenues, nous appliquons des niveaux de températures différentes de façon à avoir un gradient de température ΔT non nul. Une différence de potentiel électrique ΔV émerge.

L’effet de Seebeck est décrit comme une migration des porteurs de charges du côté de la jonction chaude vers le côté de la jonction froide en vue d’assurer un état d’équilibre thermique. Cette diffusion est d’autant plus visible pour les matériaux dopés qui possèdent plus de charges libres (électrons ou trous), ce qui produit un potentiel induit plus important. Dans un deuxième temps, nous présentons un autre effet physique pour la transformation de l’énergie thermique en électricité : c’est l’effet Pyroélectrique. Cet effet est découvert vers le dix-huitième siècle et ses fondements théoriques majeurs sont énoncés en 1878 par Lord Kelvin (Amokrane, 2013) . Il consiste à transformer une variation temporelle de température en électricité. Ce phénomène est visible sur une catégorie de matériau appelé les matériaux pyroélectriques. Ces matériaux sont des cristaux ayant une polarisation spontanée selon un axe unique. De ce fait, la pyroélectricité se traduit en une variation temporaire de la polarisation spontanée du matériau en fonction de la température. En utilisant des électrodes en haut et en bas d’un matériau pyroélectrique, un courant peut être mesuré par un ampèremètre (Bhatia, 2014). La polarisation spontanée entraine l’accumulation de charges sur les surfaces du cristal. Ces charges attirent les charges libres des électrodes.

Générateurs directs 

Les générateurs directs reposent essentiellement sur les effets de conversions directs ou encore sur une combinaison d’un effet direct et un autre effet scientifique (générateur hybride) afin d’améliorer les performances du générateur.

• Générateur thermoélectrique TEG
Un générateur thermoélectrique est un dispositif capable de transformer l’énergie thermique en énergie électrique suivant l’effet de Seebeck. Ce dispositif est composé de Modules thermoélectriques ou Modules de Seebeck. Autant dire, le groupement des extrémités d’un semi-conducteur dopé n et un autre semi-conducteur dopé p crée une cellule élémentaire connue sous le nom de Thermo-élément. Une connexion de plusieurs thermo-éléments électriquement en séries et thermiquement en parallèle représente un module de Seebeck.

Les performances des générateurs thermoélectriques dépendent de la nature des matériaux thermoélectriques, du gradient de température, de la température moyenne de fonctionnement ainsi que des caractéristiques géométriques du dispositif. De là, concevoir un générateur thermoélectrique nécessite l’optimisation des différents paramètres clés pour avoir une solution adaptable à l’application désirée à savoir des applications hautes puissances ayant de grands modules thermoélectriques et des applications basses puissances basées sur la technologie des couches minces . De surcroit, plusieurs chercheurs ont travaillé au cours des années pour développer des matériaux plus performants.

• Générateur Pyroélectrique (PG)
Les générateurs pyroélectriques sont des dispositifs de conversion de l’énergie thermique en énergie électrique suivant l’effet pyroélectrique. Ces générateurs utilisent différentes méthodes pour augmenter les fluctuations de températures dans les matériaux pyroélectriques, ce qui engendre une grande variété de forme. Cependant, il existe une cellule pyroélectrique de base constituée d’une couche d’un matériau pyroélectrique entre deux électrodes utilisées pour la collecte du courant généré.

• Générateur thermoïonique
Les générateurs thermoïoniques sont composés de deux électrodes : une électrode connectée à la source chaude de chaleur et l’autre électrode est connectée à la source froide ou encore à un dissipateur de chaleur. Ces deux électrodes sont séparées par un espacement.