Quantification de l'efficacité énergétique des matériaux thermoélectriques dans les systèmes de récupération de chaleur

Les matériaux thermoélectriques représentent une technologie de transformation dans la recherche mondiale de solutions énergétiques durables, offrant la capacité unique de convertir la chaleur directement en électricité par le biais de mécanismes à l'état solide.En tant que secteurs d'activité mondiaux qui se heurtent à des coûts énergétiques et à des pressions environnementales croissantes, les matériaux thermoélectriques transforment directement la chaleur résiduelle en électricité, offrant une approche durable pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles et lutter contre la pollution environnementale.

Les fondamentaux de la conversion thermoélectrique de l'énergie

Les matériaux thermoélectriques fonctionnent selon des principes physiques fondamentaux qui permettent une conversion directe de l'énergie thermique à électrique. Les matériaux thermoélectriques peuvent convertir la chaleur directement en énergie électrique. Cette propriété est basée sur l'effet Seebeck, dans lequel une différence de température appliquée à un matériau génère une tension. Ce phénomène, décrit par Thomas Johann Seebeck au début du 19ème siècle, constitue le fondement de la technologie thermoélectrique moderne.

Le processus de conversion fonctionne par le mouvement des porteurs de charge dans le matériau lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température. Lorsqu'une extrémité d'un matériau thermoélectrique est chauffée tandis que l'autre reste fraîche, les porteurs de charge diffusent du côté chaud vers le côté froid, créant une différence de potentiel électrique. Ce mécanisme de conversion directe élimine la nécessité de déplacer des pièces, rendant les générateurs thermoélectriques intrinsèquement fiables et adaptés pour une exploitation à long terme dans des environnements difficiles.

Au-delà de la production d'électricité, les matériaux thermoélectriques présentent également le phénomène inverse. L'inverse est l'effet Peltier, qui est habituellement utilisé pour le refroidissement. Cette capacité bidirectionnelle rend les matériaux thermoélectriques polyvalents pour les applications de récolte d'énergie et de gestion thermique, élargissant leur utilité dans plusieurs industries.

Comprendre la figure du mérite : la valeur ZT

L'efficacité des matériaux thermoélectriques est principalement quantifiée par un paramètre sans dimension appelé figure du mérite, désigné ZT. ZT est la valeur moyenne des propriétés thermoélectriques, qui peut être utilisée comme paramètre sans dimension pour mesurer les propriétés des matériaux TE: où S est le coefficient Seebeck, ε est la conductivité du matériau, к e est la conductivité thermique électronique, к L est la conductivité thermique du réseau et T est la température absolue.

Une valeur ZT plus élevée signifie un matériau thermoélectrique plus efficace. Le numérateur, S2ε, est souvent appelé « facteur de puissance » et représente la capacité du matériau à produire de l'électricité à partir d'un gradient de température. Le facteur de puissance reflète l'efficacité avec laquelle un matériau peut produire de l'électricité lorsqu'il est soumis à une différence de température, combinant à la fois la capacité de production de tension (coefficient Seebeck) et la capacité du matériau à conduire ce courant électrique.

Bien sûr, plus la valeur ZT est grande, plus les propriétés thermoélectriques du matériau sont grandes. Cependant, la réalisation de valeurs ZT élevées présente des défis importants en raison de la nature interdépendante des paramètres constitutifs. Historiquement, une valeur de 1 a été considérée comme la valeur maximale du mérite, mais aujourd'hui certains matériaux optimisés atteignent des valeurs d'environ 2 ou plus, ce qui représente des progrès substantiels en science des matériaux et en ingénierie.

Le coefficient de Seebeck : capacité de production de tension

Le coefficient Seebeck, désigné sous le nom de S, représente l'ampleur de la tension générée par différence de température unitaire sur un matériau. Le rapport de tension électrique et de différence de température est appelé coefficient Seebeck : S = U/ΔT avec : S : Effet Seebeck U : Tension ΔT : Différence de température. Les matériaux avec des coefficients Seebeck plus élevés génèrent plus de tension pour un gradient de température donné, ce qui les rend plus attrayants pour les applications de production d'énergie.

Le coefficient de Seebeck varie significativement entre différents matériaux et dépend fortement de la température. Les semiconducteurs présentent généralement des coefficients de Seebeck plus élevés que les métaux, ce qui explique leur prédominance dans les applications thermoélectriques. L'ampleur et le signe du coefficient (positifs ou négatifs) déterminent également si un matériau fonctionne comme un élément thermoélectrique de type p ou n, qui sont tous deux nécessaires à la construction de modules thermoélectriques complets.

Conductivité électrique: réduire au minimum les pertes de résistance

La conductivité électrique (ε) mesure la capacité d'un matériau à transporter la charge électrique. La conductivité électrique est une mesure de la capacité d'un matériau à conduire le courant électrique. La conductivité électrique élevée est essentielle pour minimiser le chauffage Joule (pertes I2R) dans le dispositif thermoélectrique, ce qui, sinon, réduirait l'efficacité globale.

Le défi de l'optimisation de la conductivité électrique réside dans sa relation complexe avec d'autres propriétés thermoélectriques. Par exemple, l'augmentation de la conductivité électrique réduit souvent le coefficient de Seebeck, car ces deux paramètres sont couplés à la concentration du porteur.

Conductivité thermique : le mécanisme de perte critique

La conductivité thermique (κ) quantifie la facilité de circulation de la chaleur à travers un matériau. Dans les applications thermoélectriques, une faible conductivité thermique est souhaitable car elle aide à maintenir le gradient de température à travers l'appareil. Le dénominateur, κ, représente la conductivité thermique à travers le matériau, qui est un mécanisme de perte.

La conductivité thermique comprend deux composantes : la conductivité thermique électronique (κe) et la conductivité thermique du réseau (κL). La conductivité thermique électronique est directement liée à la conductivité électrique par la loi Wiedemann-Franz, créant un autre défi d'interdépendance. Cependant, tant que la conductivité thermique du réseau avec une petite corrélation est réduite, la figure thermoélectrique du mérite peut être optimisée efficacement.

Le but de toute expérience thermoélectrique est de rendre le facteur de puissance, S2 ε, plus grand tout en maintenant une petite conductivité thermique. C'est parce que l'électricité est produite par un gradient de température, de sorte que les matériaux qui peuvent équilibrer la chaleur très rapidement ne sont pas utiles.

Matériaux thermoélectriques à la fine pointe de la technologie

Le paysage des matériaux thermoélectriques a considérablement évolué, avec différentes familles de matériaux optimisées pour des plages de température et des applications spécifiques. Comprendre les caractéristiques de performance de ces matériaux est essentiel pour choisir des solutions appropriées pour les systèmes de récupération de chaleur.

Bismuth Telluride et ses alliés

Les matériaux à base de telluride de Bismuth ont longtemps été les chevaux de travail des applications thermoélectriques à température ambiante proche. Des matériaux tels que Bi 2Te 3 et Bi 2Se 3 comprennent certains des thermoélectriques à température ambiante les plus performants avec une figure de mercure indépendante de la température, ZT, entre 0,8 et 1,0. Ces matériaux excellent dans les applications nécessitant un fonctionnement autour de 300 K, les rendant particulièrement adaptés pour le refroidissement électronique et la récupération de chaleur à basse température.

Les techniques avancées d'ingénierie ont poussé encore plus loin les performances des systèmes de tellurure de bismuth. Nanostruction de ces matériaux pour produire une structure superlatrice en couches alternées de couches Bi 2Te 3 et Sb 2Te 3 produit un dispositif dans lequel il y a une bonne conductivité électrique mais perpendiculaire à laquelle la conductivité thermique est faible. Le résultat est un ZT amélioré (environ 2,4 à température ambiante pour le type p).

Le telluride de Bismuth et ses solutions solides sont de bons matériaux thermoélectriques à température ambiante et sont donc adaptés à des applications de réfrigération d'environ 300 K. Cependant, leurs performances se dégradent à des températures plus élevées, limitant leur applicabilité dans les scénarios de récupération de chaleur industrielle à haute température.

Systèmes de telluride et de séléniure d'étain

Pour les applications à température moyenne à élevée, les matériaux de tellure de plomb (PbTe) et de tellure d'étain (SnSe) offrent des performances convaincantes. À des températures extrêmes (=500 K), des matériaux inorganiques tels que tellure de bismuth (Bi2Te3) et tellure de plomb (PbTe) ont obtenu des valeurs ZT autour de 2,0, ce qui indique une grande efficacité dans la production d'électricité.

Des recherches récentes ont démontré des progrès importants dans les composites sélénides d'étain. Le composite SnSe-3 wt% CuS optimisé atteint un pic remarquable de ZT de 0,963 à 873 K, ce qui représente un progrès important dans les performances thermoélectriques.

Composés de silicides de magnésium

Les composés à base de magnésium représentent une alternative intéressante pour les applications à température moyenne, offrant des avantages en termes de coûts, de toxicité et d'abondance élémentaire. Les composés Mg2BIV (B14=Si, Ge, Sn) et leurs solutions solides sont de bons matériaux thermoélectriques et leurs valeurs ZT sont comparables à celles des matériaux établis.

À 800 K, Mg2Si0.55−xSn0.4Ge0.05Bix aurait un chiffre de mérite d'environ 1,4, le plus élevé jamais signalé pour ces composés. Ce niveau de performance rend les systèmes de silicides de magnésium compétitifs avec des matériaux plus établis tout en offrant des caractéristiques de durabilité supérieures.

Thermoélectriques à oxyde

Les matériaux thermoélectriques à base d'oxydes ont fait l'objet d'une attention considérable pour les applications à haute température en raison de leur stabilité thermique et de leur résistance à l'oxydation. Le Ca3Co4O9 en couches a montré des valeurs ZT de 1,4 à 2,7 à 900 K. La structure cristalline en couches de ces matériaux empêche naturellement le transport du phonon perpendiculairement aux couches, réduisant ainsi la conductivité thermique tout en conservant des propriétés électriques raisonnables.

Récemment, les thermoélectriques à oxyde ont beaucoup retenu l'attention pour que la gamme des phases prometteuses augmente considérablement. Parmi les nouveaux membres de cette famille, on compte ZnO, MnO2 et NbO2. Ces matériaux offrent une stabilité exceptionnelle dans les atmosphères oxydantes à haute température, ce qui les rend particulièrement adaptés aux applications industrielles de gaz d'échappement où d'autres matériaux pourraient se dégrader.

Chalcogénides à base de cuivre

L'analyse des CF révèle que les chalcogénides à base de cuivre maintiennent une compatibilité favorable sur de larges plages de température, ce qui indique un fort potentiel pour la conception de générateurs thermoélectriques segmentés, alors que les alliages intermétalliques et à haute entropie à base de Ni sont intrinsèquement limités par des facteurs de compatibilité supprimés. Cette caractéristique de compatibilité est cruciale pour la conception de systèmes thermoélectriques à plusieurs étages qui fonctionnent efficacement sur de larges plages de température.

Matériaux organiques et hybrides

Bien que les matériaux inorganiques dominent les applications à haute performance, les matériaux thermoélectriques organiques et hybrides offrent des avantages uniques pour des cas d'utilisation spécifiques.Les matériaux organiques, tels que la polyaniline et les composites polystyrènes (PEDOT) poly(3,4-éthylènedioxythiophène), ont acquis des valeurs ZT allant de 0,5 à 1,0, ce qui démontre leur promesse pour des applications polyvalentes et peu coûteuses.

Bi2Te3/PEDOT, matériau hybride avec des composants organiques et inorganiques, a démontré une amélioration de la performance avec des valeurs ZT de 1,5 à 2,0 en raison des effets synergiques de ses constituants.

Facteurs globaux influant sur l'efficacité du système thermoélectrique

Bien que les propriétés des matériaux constituent le fondement des performances thermoélectriques, de nombreux facteurs de niveau du système influencent de façon significative l'efficacité globale des applications de récupération de chaleur des déchets.

Température Gradient et conditions de fonctionnement

La différence de température entre un dispositif thermoélectrique a une incidence directe sur sa puissance et son efficacité. De plus, la valeur de la différence de température et de mérite est directement liée à l'efficacité η d'un dispositif thermoélectrique, ce qui augmente lorsque ZT et ΔT ont de grandes valeurs.

Cependant, le maintien de gradients de température stables exige une gestion thermique efficace. La chaleur doit être efficacement livrée au côté chaud des éléments thermoélectriques tout en étant efficacement retirée du côté froid. Une mauvaise gestion thermique peut effondrer le gradient de température, ce qui dégrade gravement les performances, quelle que soit la valeur intrinsèque ZT du matériau.

Conception et architecture des appareils

Contrairement aux générateurs thermoélectriques plats classiques (FTEGs), le TTEG intègre des éléments thermoélectriques à cycle complet dans une disposition tubulaire, offrant une nouvelle approche de la récupération d'énergie thermique à partir de systèmes à base de fluides. Cette conception améliore considérablement les capacités de transfert de chaleur, améliorant ainsi l'efficacité de la conversion d'énergie.

Dans des conditions identiques d'exposition à la chaleur, de volume et de propriétés des matériaux thermoélectriques, le TTEG démontre une augmentation de 62,5 % de la puissance de sortie par rapport au module thermoélectrique TGM1-127-1.0-0,8 (FTEG), ce qui démontre que l'optimisation de l'architecture des appareils peut produire des gains de performance comparables ou supérieurs à ceux obtenus par le seul développement des matériaux.

Intégration de l'échangeur de chaleur

Les échangeurs de chaleur efficaces sont essentiels pour transférer l'énergie thermique des sources de chaleur usées vers des éléments thermoélectriques. La conception de l'échangeur de chaleur doit équilibrer plusieurs exigences concurrentes : maximiser le transfert de chaleur vers les éléments thermoélectriques, minimiser la chute de pression dans le flux de chaleur résiduaire, assurer la durabilité mécanique et maintenir la rentabilité.

Pour les applications de gaz d'échappement, l'échangeur de chaleur doit résister à des températures élevées et à des environnements potentiellement corrosifs tout en alliant efficacement l'énergie thermique aux modules thermoélectriques.

Électronique de couplage de charge électrique et d'alimentation

Les générateurs thermoélectriques produisent un courant direct à des tensions et des courants qui varient selon les conditions de fonctionnement. L'extraction de puissance optimale nécessite de faire correspondre la charge électrique aux caractéristiques de sortie du générateur.

L'efficacité de l'électronique de conditionnement de puissance a une incidence directe sur les performances globales du système. Les pertes dans les convertisseurs DC-DC, les onduleurs et les circuits de commande réduisent la puissance électrique nette.

Dégradation des matériaux et stabilité à long terme

Les équipements et les matériaux thermoélectriques doivent maintenir leur performance sur de longues périodes de fonctionnement pour fournir une valeur économique. De plus, les TEG exposés à des températures élevées et à des environnements difficiles, comme dans les systèmes d'échappement, peuvent subir une dégradation, affectant leur longévité et leur fiabilité, ce qui entraîne des coûts d'entretien accrus et réduit les performances du système.

La sélection des matériaux doit tenir compte non seulement des valeurs de pointe de ZT, mais aussi de la stabilité dans des conditions de fonctionnement réalistes. Certains matériaux à haute performance présentent une excellente ZT dans des conditions de laboratoire, mais se dégradent rapidement dans des environnements industriels.

Mesure et quantification de l'efficacité thermoélectrique

La mesure précise de l'efficacité thermoélectrique nécessite une caractérisation minutieuse de plusieurs propriétés dépendantes de la température et la prise en compte des mesures de performance au niveau du système.

Caractérisation des niveaux de matériaux

La figure thermoélectrique du mérite « ZT » décrit l'adéquation des matériaux thermoélectriques et est définie comme suit : où S : coefficient Seebeck [μV/K] ε : conductivité électrique [S/m] λ : conductivité thermique [W/(m-K)] à une température T. Toutes ces variables dépendent de la température.

Premièrement, les paramètres individuels (coefficient Seebeck, conductivité électrique et thermique) peuvent être mesurés et ZT calculé selon l'équation 1. Cette approche fournit un aperçu détaillé de la façon dont chaque propriété contribue à la performance globale et permet d'identifier les facteurs limitatifs.

La mesure de la conductivité thermique présente des défis particuliers. La conductivité thermique est généralement déterminée par la méthode laser ou éclair de lumière. Le résultat direct de cette méthode est la diffusion thermique. La conversion de la diffusion thermique en conductivité thermique nécessite des mesures supplémentaires de la densité et de la capacité thermique spécifique, introduisant des sources potentielles d'incertitude de mesure.

Une analyse d'erreurs est présentée dans la littérature, soulignant l'importance de protocoles de mesure rigoureux et de quantification de l'incertitude dans la caractérisation thermoélectrique.

Mesure directe ZT: la méthode Harman

Alternative à la mesure des propriétés individuelles, la méthode Harman permet de mesurer directement la figure du mérite. Cette technique applique une impulsion de courant à un élément thermoélectrique et mesure la réponse de tension résultante. La méthode fournit une évaluation directe de ZT sans exiger de mesures distinctes du coefficient Seebeck, de la conductivité électrique et de la conductivité thermique.

La méthode Harman offre des avantages en vitesse et simplicité, mais nécessite une conception expérimentale minutieuse pour assurer des résultats précis. Des facteurs tels que la résistance au contact thermique, la résistance au contact électrique et les effets thermiques transitoires doivent être dûment pris en compte pour obtenir des valeurs ZT fiables.

Mesure de l'efficacité au niveau de l'appareil

Bien que la valeur des matériaux thermoélectriques soit une valeur métrique bien définie pour évaluer les matériaux thermoélectriques, elle peut être une mauvaise mesure de l'efficacité maximale du dispositif thermoélectrique en raison de la dépendance à la température du coefficient de Seebeck S, de la résistivité électrique ρ et de la conductivité thermique κ où T est la température absolue.

L'efficacité de conversion énergétique des équipements de production d'énergie des matériaux TE est définie comme l'énergie électrique de sortie (P) divisée par l'énergie thermique fournie (Q). Cette mesure pratique de l'efficacité se rapporte directement à la valeur économique des systèmes de récupération de chaleur des déchets, car elle détermine la quantité d'énergie électrique produite à partir des ressources thermiques disponibles.

Les mesures de l'efficacité au niveau du système doivent tenir compte de tous les flux d'énergie, y compris les pertes de chaleur par isolation, les pertes électriques dans les connexions et l'électronique de puissance, et la consommation d'énergie parasitaire par les systèmes auxiliaires tels que les ventilateurs de refroidissement ou les pompes.

Stratégies pour améliorer l'efficacité thermoélectrique

Pour améliorer l'efficacité thermoélectrique, il faut des approches multiformes couvrant la science des matériaux, l'ingénierie des appareils et l'optimisation des systèmes. En attendant, dans les matériaux thermoélectriques, l'amélioration de la figure sans dimension du mérite zT est toujours un thème central pour que les appareils assemblés puissent fonctionner à haute efficacité.

Génie de la structure de bande électronique

La manipulation de la structure de bande électronique des matériaux thermoélectriques offre de puissantes possibilités d'améliorer le facteur de puissance. Dans l'ingénierie de bande électronique, la convergence de bande, la courbure du bandgap, ou la manipulation de masse efficace, optimise significativement le facteur de puissance.

La convergence des bandes, où les bandes électroniques multiples s'alignent en énergie, augmente la densité effective des états près du niveau Fermi. Cette amélioration peut augmenter le coefficient Seebeck tout en maintenant une mobilité élevée des porteurs, découplant partiellement le compromis traditionnel entre ces propriétés.

Nanostructuration et dispersion hiérarchique

De même, les techniques de diffusion hiérarchique et de faible dimension sont des stratégies efficaces pour réduire la conductivité thermique. En introduisant des centres de diffusion à plusieurs échelles de longueur, des nanomètres aux micromètres, les phonons à travers un large spectre de fréquences peuvent être dispersés, réduisant de façon spectaculaire la conductivité thermique.

Ces dernières peuvent être réalisées, par exemple, par nanostructuration, car cela réduit grandement la conductivité thermique sans influencer grandement le facteur de puissance. Les nanostructures telles que les limites de grains, les précipités et les interfaces superlattices dispersent préférentiellement les phonons (qui transportent la chaleur) tout en permettant aux électrons (qui transportent le courant électrique) de passer relativement sans entrave, exploitant les différentes échelles de longueur du phonon et des électrons signifient des chemins libres.

Pour ce qui est de la raison pour laquelle on pensait améliorer la valeur ZT, la mécanique de l'échange cational entraîne souvent des défauts cristallographiques, ce qui provoque la dispersion des phonons (particules de chaleur simplement mises) selon le formalisme Debye-Callaway, un modèle utilisé pour déterminer la conductivité thermique du réseau, κL, le comportement hautement anharmonique dû à la diffusion du phonon entraîne une grande résistance thermique.

Optimisation de la concentration du transporteur

On discute de l'optimisation de la concentration du transporteur pour améliorer le coefficient de Seebeck, de l'amélioration constante de la mobilité du transporteur et de l'influence de l'ingénierie de la bande d'énergie sur les performances thermoélectriques.

Les stratégies de dopage permettent un contrôle précis de la concentration du porteur. Cependant, pour trouver le niveau optimal de dopage, il faut équilibrer les effets concurrents : trop peu de porteurs se traduisent par une faible conductivité électrique, alors que trop de porteurs suppriment le coefficient Seebeck.

Approches composites et hybrides

Les thermoélectriques composites hybrides impliquent le mélange des matériaux organiques ou autres matériaux composites qui ont été discutés précédemment avec d'autres matériaux conducteurs afin d'améliorer les propriétés de transport.

De nouveaux matériaux composites, comme les composites bi2Te3-carbon nanotube (CNT) et utilisant le graphiène, développés pour optimiser les caractéristiques thermiques et électriques, ont amélioré la performance des appareils jusqu'à 25% par rapport aux matériaux standard.

Traitement haute pression et haute température

Pour relever ce défi, nous avons développé une approche synergique combinant la méthode haute pression et haute température (HPHT) avec le dopage CuS en SnSe polycristallin. Le composite SnSe-3 wt% CuS optimisé permet d'atteindre un pic remarquable ZT de 0,963 à 873 K, ce qui représente une avancée significative dans les performances thermoélectriques. Cette amélioration découle d'améliorations simultanées dans le transport électrique et la réduction de la conductivité thermique.

Le traitement HPHT peut induire des distorsions de réseau, créer des interfaces cohérentes et modifier les structures de limite de grain de manière à avoir un impact favorable sur les propriétés thermoélectriques.Ces techniques de traitement offrent des degrés supplémentaires de liberté pour optimiser les matériaux au-delà de la composition seule.

Applications industrielles de la récupération de chaleur des déchets thermoélectriques

Les générateurs thermoélectriques trouvent des applications dans divers secteurs industriels où la chaleur résiduelle représente à la fois une préoccupation environnementale et une ressource énergétique inexploitée.

Industries manufacturières et de transformation

Hendricks et Choate ont fait remarquer que, dans le secteur industriel, plus du tiers de l'énergie utilisée dans la fabrication américaine est rejetée dans l'atmosphère ou les systèmes de refroidissement comme chaleur résiduelle. Cette énorme perte d'énergie représente une opportunité importante pour les systèmes de récupération thermoélectrique.

Les procédés industriels qui produisent ces températures comprennent les opérations de calcination (p. ex. ciment, chaux, alumine, coke de pétrole), la fusion des métaux, la fusion du verre, les chauffe-eau, les oxydants thermiques et les procédés de synthèse exothermique.

Selon les données présentées par KcORC "Le Centre de connaissances sur la technologie ORC", dans leur rapport "La récolte d'énergie thermique", 75% de l'énergie thermique obtenue par les combustibles primaires utilisés dans les procédés des industries à forte intensité énergétique dans l'UE est actuellement gaspillé. L'industrie chimique représente 11,7 % du potentiel thermique des déchets, ... Tous ces facteurs font un potentiel estimé de plus de 50 MWth. Juste en considérant les sources d'énergie thermique gaspillées à des températures et à des températures et à des températures élevées; 250°C, pour des raisons de viabilité économique plus élevée, un total de 6,6 GW d'électricité pourrait être produit en Europe en tirant parti d'un système de récupération de chaleur des déchets ORC.

Automobile et transports

Les moteurs à combustion interne, composants essentiels des automobiles, motos, navires et générateurs industriels transforment l'énergie chimique en énergie mécanique avec une efficacité moyenne d'environ 25%. L'efficacité varie entre 20% et 45%, selon la structure interne et l'état de fonctionnement du moteur. La majorité de l'énergie combustible est perdue comme chaleur résiduelle par les gaz d'échappement et les systèmes de refroidissement.

Cela indique qu'une part importante, allant de 55 % à 80 %, de l'énergie chimique dérivée principalement des combustibles fossiles est perdue à cause des émissions de chaleur dues aux moteurs et aux systèmes de refroidissement.

De plus, dans les industries aérospatiale et maritime, où l'efficacité énergétique et le poids sont essentiels, les TEG peuvent améliorer l'utilisation énergétique globale en convertissant la chaleur résiduelle des moteurs en énergie électrique utile, réduisant ainsi la consommation de carburant et améliorant l'efficacité du système.

Secteur de la production d'électricité et de l'énergie

Par exemple, la production d'électricité thermique représente plus de 50 % de la production mondiale d'électricité, mais son efficacité opérationnelle n'est que de 30 % à 40 %. La chaleur résiduelle produite par les centrales électriques, les procédés industriels, les cheminées, les sources géothermiques et les systèmes d'échappement des moteurs contribue de façon importante à cette perte d'énergie, plus de la moitié des ressources énergétiques mondiales étant gaspillées chaque année sous forme de chaleur.

Les générateurs thermoélectriques peuvent être intégrés dans les flux d'échappement des centrales électriques, les circuits d'eau de refroidissement et d'autres sources de chaleur résiduelles pour produire de l'électricité supplémentaire.

Intégration de l'énergie géothermique et renouvelable

Les résultats révèlent que les générateurs thermoélectriques portables ont une densité de puissance plus faible (<100 μW/cm2), tandis que les générateurs thermoélectriques industriels s'étendent de 25 à 300 mW/cm2 et les générateurs thermoélectriques géothermiques s'étendent de 20 à 130 mW/cm2. Les applications géothermiques permettent de tirer parti des gradients de température naturels pour produire de l'électricité, avec des générateurs thermoélectriques offrant un mécanisme de conversion simple et fiable.

L'intégration avec les systèmes solaires thermiques représente un autre domaine d'application prometteur. Les stratégies d'intégration, telles que l'intégration de modules thermoélectriques dans les flux d'échappement industriels, les gaz d'échappement des automobiles et les capteurs solaires thermiques, ont démontré la faisabilité et l'évolutivité de la conversion thermoélectrique.

Systèmes de construction et de CVC

Les bâtiments consomment une énergie considérable pour le chauffage et le refroidissement, avec une chaleur importante produite par les systèmes CVC, les chauffe-eau et d'autres équipements. Les générateurs thermoélectriques peuvent récupérer la chaleur résiduelle de ces sources, générant de l'électricité pour compenser la consommation d'énergie des bâtiments.

Les modules thermoélectriques peuvent également fournir des fonctionnalités de chauffage et d'alimentation combinées. Recovery+ se concentre sur les générateurs thermoélectriques qui produisent de l'électricité à partir de chaleur industrielle et fournissent de la chaleur en même temps - sans pièces mobiles.

Considérations économiques et critères de performance

Le déploiement pratique de systèmes de récupération thermoélectrique de chaleur dépend de la viabilité économique.

Efficacité de conversion et densité de puissance

L'une des principales limites est l'efficacité relativement faible des TEG, qui se situent généralement entre 5 % et 10 %, ce qui limite la quantité d'énergie électrique produite par la chaleur résiduelle, ce qui rend les TEG moins attrayants pour les applications à grande échelle, à moins que la source de chaleur résiduelle ne soit abondante et continue.

La densité de puissance détermine la taille physique et les exigences en matière de matériaux pour une production électrique donnée. Les systèmes de densité de puissance plus élevée nécessitent moins de matériaux et occupent moins d'espace, réduisant à la fois les coûts d'investissement et la complexité de l'installation.

Coûts et disponibilité du matériel

De plus, les matériaux thermoélectriques à haute performance, comme le tellure de bismuth, sont souvent coûteux et peuvent avoir une disponibilité limitée, ce qui constitue un obstacle à l'adoption généralisée, en particulier dans les industries sensibles aux coûts.

Si l'on utilise des thermoélectriques dans l'industrie, le coût, la toxicité et la disponibilité des matériaux sont des facteurs clés.Les matériaux contenant des éléments rares ou toxiques font face à des défis économiques et réglementaires.

Coûts d'intégration et d'installation du système

Il existe également des défis d'intégration, car l'intégration des systèmes TEG dans les systèmes d'échappement existants, en particulier dans les applications automobiles et industrielles, peut être complexe. La conception doit tenir compte à la fois du TEG et des échangeurs de chaleur nécessaires sans modifier de manière significative la fonctionnalité du système d'échappement ou introduire une contre-pression excessive, ce qui pourrait avoir un impact négatif sur les performances du moteur.

L'intégration réussie exige une conception de système soignée qui tient compte de la gestion thermique, du montage mécanique, des connexions électriques et de la compatibilité avec les équipements existants.

Période de remboursement et rendement des placements

L'évaluation de la période de récupération, qui fait référence au temps nécessaire pour rembourser les fonds dépensés dans ces systèmes, est un bon indicateur pour évaluer la performance économique du système.

Son rendement électrique est comparable à celui d'un système photovoltaïque de 60 m2, qui fournit également de l'énergie de chauffage et a une période d'amortissement de moins de trois ans. L'obtention de périodes de récupération de quelques années rend la récupération de chaleur thermoélectrique des déchets économiquement impérative, en particulier lorsque les coûts énergétiques sont élevés ou que des mécanismes de tarification du carbone sont en place.

Coûts opérationnels et d'entretien

L'absence de pièces mobiles dans les générateurs thermoélectriques promet de réduire les coûts de fonctionnement et d'entretien et de prolonger les temps entre les défaillances.Ces avantages potentiels rendent les générateurs thermoélectriques importants pour les applications industrielles WHR.

De plus, les systèmes de récupération de chaleur à partir de TEG sont sûrs, ont une longue durée de vie, n'incluent pas de mécanismes mécaniques et conviennent aussi bien aux applications en vrac qu'aux applications compactes.Ces caractéristiques contribuent à un coût total de propriété favorable, même lorsque les coûts initiaux d'immobilisation sont plus élevés que certaines autres solutions.

Défis et limites dans la récupération thermique des déchets thermoélectriques

Malgré des progrès importants, la récupération de chaleur des déchets thermoélectriques fait face à plusieurs défis techniques et pratiques qui doivent être relevés pour permettre un déploiement généralisé.

Les défis des matériaux fondamentaux

Cependant, l'interdépendance intrinsèque des paramètres critiques des matériaux limite fondamentalement l'optimisation de la figure thermoélectrique du mérite (ZT). La nature couplée de la conductivité électrique, du coefficient de Seebeck et de la conductivité thermique crée des contraintes fondamentales sur les valeurs réalisables de ZT. Cependant, il existe une relation complexe entre le coefficient de Seebeck, la conductivité électrique et la conductivité thermique, ce qui rend difficile l'amélioration significative de la figure thermoélectrique du mérite par des approches conventionnelles.

En outre, les méthodes visant à améliorer la diffusion du phonon pour réduire la conductivité thermique du réseau peuvent simultanément réduire la mobilité du transporteur, ce qui a un impact négatif sur la conductivité électrique.

Stabilité et dégradation à haute température

De nombreux matériaux thermoélectriques à haute performance présentent une stabilité limitée à des températures élevées ou en atmosphères réactives. L'oxydation, la sublimation et les transformations de phase peuvent dégrader les performances au fil du temps, réduisant ainsi la durée de vie pratique des générateurs thermoélectriques dans les applications industrielles.

Les stratégies de protection, notamment l'encapsulation, les revêtements de barrière et l'exploitation de l'atmosphère inerte, ajoutent complexité et coût aux systèmes thermoélectriques.

Complexité de gestion thermique

Amélioration de la gestion thermique : Les recherches futures devraient porter sur l'optimisation des conceptions des échangeurs de chaleur et le développement de techniques de refroidissement avancées pour maintenir des gradients de température optimaux dans le TEG. Cela pourrait contribuer à améliorer les performances et la fiabilité à long terme.

Dans de nombreuses applications industrielles, les sources de chaleur résiduelle sont diffuses ou intermittentes, ce qui complique la gestion thermique.

Échelle et fabrication

L'élargissement des matériaux et des dispositifs thermoélectriques des démonstrations de laboratoire à la production industrielle pose des défis importants. De nombreux matériaux à haute performance nécessitent des procédés de synthèse complexes ou des précurseurs coûteux qui sont difficiles à évaluer sur le plan économique.

Stratégies de réduction des coûts : Trouver des moyens de réduire le coût des systèmes TEG, en utilisant des matériaux de remplacement ou en améliorant les procédés de fabrication, pourrait les rendre plus viables sur le plan économique pour une adoption généralisée dans les secteurs industriel et automobile.

Orientations futures et possibilités de recherche

Le domaine de la récupération de chaleur des déchets thermoélectriques continue d'évoluer rapidement, avec de nombreuses directions de recherche prometteuses qui pourraient améliorer considérablement les performances et étendre les applications.

Développement de matériaux avancés

La recherche sur de nouveaux matériaux ayant des rendements de conversion thermoélectriques plus élevés, tels que les matériaux nanostructurés ou les matériaux présentant des écarts de bandes optimisés, pourrait améliorer considérablement les performances des systèmes TEG. La découverte de matériaux informatiques, les approches d'apprentissage machine et le dépistage expérimental à haut débit accélèrent l'identification de nouveaux matériaux thermoélectriques prometteurs.

Au cours de la dernière décennie, on a assisté au développement de matériaux thermoélectriques à haute performance qui peuvent fonctionner efficacement à différentes températures et à la recherche en plein essor sur les appareils thermoélectriques à applications.

Systèmes hybrides et multi-technologies

Systèmes hybrides : la combinaison des TEG avec d'autres technologies de récupération de chaleur, comme le cycle biologique de Rankine (ORC) ou le PCM, pourrait conduire à des systèmes plus efficaces et plus polyvalents qui peuvent récupérer une plus grande part de chaleur résiduelle et la convertir en énergie utile.

Les systèmes thermoélectriques cascaded ou segmentés qui utilisent différents matériaux optimisés pour différentes plages de température peuvent améliorer l'efficacité sur de larges gradients de température. Ces systèmes nécessitent une conception soignée pour assurer la compatibilité entre les segments de matériaux et une adéquation optimale de la charge.

Optimisation spécifique à l'application

Dans le domaine des applications pratiques, aucun matériau/appareil thermoélectrique ne peut satisfaire toutes les exigences d'application dans des scénarios polyvalents, ce qui signifie qu'il faut développer et concevoir des matériaux et des appareils thermoélectriques compatibles pour des applications spécifiques.

Dans l'ensemble, les résultats mettent en évidence un passage de l'évaluation par facteur de puissance à l'examen de contrôle axé sur les appareils à l'aide du paramètre matériel et du facteur de compatibilité, fournissant un cadre unifié pour la conception rationnelle de matériaux thermoélectriques à haute performance.

Digitalisation et contrôle intelligent

Les systèmes de contrôle avancés qui optimisent dynamiquement le fonctionnement du générateur thermoélectrique en fonction des conditions en temps réel peuvent améliorer les performances et la fiabilité.

Les jumelles numériques et les outils de simulation permettent le prototypage virtuel et l'optimisation des systèmes thermoélectriques avant leur mise en œuvre physique, réduisant ainsi le temps de développement et les coûts.

Développement des politiques et des marchés

Les politiques de soutien, notamment la tarification du carbone, les mesures incitatives pour les énergies renouvelables et les mandats en matière d'efficacité énergétique, peuvent améliorer l'attrait économique de la récupération de chaleur des déchets thermoélectriques.

La sensibilisation et la sensibilisation des décideurs industriels aux capacités et aux avantages de la récupération de chaleur des déchets thermoélectriques peuvent accroître la sensibilisation au marché et favoriser le déploiement.

Impact sur l'énergie mondiale et avantages pour la durabilité

Le déploiement généralisé de systèmes de récupération de chaleur thermoélectriques pourrait contribuer de manière significative aux efforts mondiaux de durabilité énergétique et d'atténuation des changements climatiques.

Potentiel de conservation de l'énergie

L'évaluation des technologies de conversion des matériaux, systèmes et appareils thermiques directs (6.G) a estimé que l'énergie électrique pourrait être économisée de 6,5 à 16 TWh par année, soit 0,9 à 2,3 % des 710 TWh d'énergie électrique sur place utilisés dans les usines de fabrication (d'après les données de 2010), soit 1,5 à 3,7 % des 430 TWh de chaleur résiduelle prévues pour la consommation annuelle d'énergie industrielle de 2 470 TWh. Bien que ces pourcentages puissent sembler modestes, ils représentent des quantités d'énergie absolues substantielles qui pourraient réduire la consommation de combustibles fossiles et les émissions connexes.

La récupération et l'utilisation efficaces de cette chaleur résiduelle pourraient améliorer considérablement l'efficacité énergétique, réduire les émissions de gaz à effet de serre et promouvoir le développement durable.

Avantages pour l'environnement

Au milieu des crises énergétiques et des préoccupations environnementales, les générateurs thermoélectriques ont gagné en intérêt en tant que sources d'énergie respectueuses de l'environnement en convertissant directement la chaleur en électricité.

La nature à l'état solide de la conversion thermoélectrique élimine les fluides de travail qui pourraient fuir ou nécessiter une élimination, réduisant ainsi les risques environnementaux.

Contribution aux objectifs de décarbonisation

Outre l'utilisation des énergies renouvelables, l'amélioration de l'efficacité dans tous les secteurs est également un instrument essentiel pour réduire les émissions de CO2 et mettre fin aux changements climatiques. Le secteur industriel offre un potentiel particulièrement élevé à cet égard : environ 30 % de la consommation finale d'énergie en Allemagne est nécessaire pour l'industrie.

Comme les réseaux électriques intègrent une part croissante d'énergie renouvelable variable, la production distribuée à partir de la récupération de chaleur des déchets thermoélectriques peut fournir une énergie stable et prévisible qui complète les énergies renouvelables intermittentes.

Conclusion : La voie à suivre pour la récupération de chaleur des déchets thermoélectriques

Quantifier l'efficacité énergétique des matériaux thermoélectriques dans les systèmes de récupération de chaleur des déchets exige une compréhension complète des propriétés des matériaux, de la conception des dispositifs, de l'intégration des systèmes et des exigences spécifiques à l'application.

Les progrès récents ont poussé les valeurs ZT à des niveaux sans précédent, certains matériaux atteignant des valeurs supérieures à 2,0 grâce à des méthodes sophistiquées d'ingénierie des matériaux, notamment la nanostructuration, l'optimisation de la structure de bande et l'ingénierie des défauts.

Les applications industrielles, qui couvrent la fabrication, le transport, la production d'électricité et les bâtiments, offrent d'énormes possibilités de récupération de chaleur des déchets thermoélectriques. Bien que des défis subsistent en matière de stabilité des matériaux, de réduction des coûts et d'intégration des systèmes, les efforts de recherche et de développement continus continuent de combler ces limites.

La récupération de chaleur des déchets thermoélectriques, grâce à sa combinaison unique de simplicité, de fiabilité et d'applicabilité à diverses sources de chaleur, constitue un outil important dans le portefeuille plus large de solutions énergétiques durables. La poursuite des investissements dans la recherche, le développement et la démonstration accélérera la transition de la technologie thermoélectrique des applications spécialisées à l'adoption industrielle en général, contribuant à un avenir énergétique plus efficace et durable.

Pour les chercheurs, les ingénieurs et les décideurs qui travaillent à la récupération de la chaleur des déchets thermoélectriques, le succès exige des approches intégrées qui tiennent compte des matériaux, des dispositifs, des systèmes et des applications de façon holistique.

Pour en savoir plus sur les matériaux thermoélectriques et les technologies de récupération de chaleur, visitez le du Département de l'énergie des États-Unis , explorez les ressources du MDPI Energies Journal[, ou examinez les évaluations techniques de l'Agence de protection de l'environnement. Des renseignements supplémentaires sur les techniques de caractérisation thermoélectrique peuvent être trouvés à Linesis Thermal Analysis, tandis que des recherches de pointe sont régulièrement publiées dans des revues telles que Small Science[.