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Article | Efficacité énergétique


La thermoélectricité moyenne et haute température : une technologie verte pour récupérer l’énergie perdue à l’échappement des moteurs dans le transport

La thermoélectricité moyenne et haute température

Publié le 25 octobre 2016

Le Liten réalise des recherches sur les matériaux thermoélectriques, qui ont  pour propriété de transformer un flux de chaleur en électricité (effet Seebeck) ou inversement de réaliser un déplacement de chaleur sous l’effet d’un champ électrique (effet Peltier). Si ces matériaux font l’objet de nombreuses investigations depuis quelques années, il existe encore peu de systèmes de récupération de chaleur perdue basés sur cette technologie dans le domaine industriel. Le Liten s’intéresse de près à ce marché de conversion d’énergie thermique/électrique, qui offre notamment des perspectives intéressantes pour réduire la consommation des véhicules et des transports en général. L'objectif est de récupérer la chaleur émise par le moteur à l’échappement et de la transformer pour alimenter des composants électriques du véhicule.
L’un des enjeux actuels est de trouver des matériaux thermoélectriques économiques et   « verts », dont les éléments de base ne soient ni rares, ni toxiques, ni onéreux. Le Liten intervient depuis l’étude et l’optimisation des matériaux jusqu’à la conception et l’intégration des systèmes d’échangeurs et leur pilotage. Il s’appuie pour cela sur des compétences en modélisation ab-initio dans le choix des matériaux, en modélisation multiphysique pour le dimensionnement des composants, en mise en œuvre des poudres, frittage et mise aux cotes, et enfin en polissage, métallisation, découpage et assemblage de composants thermoélectriques.
Les équipes du Liten maîtrisent trois briques technologiques essentielles :
  • les matériaux massifs pour la génération de puissance électrique,
  • les matériaux massifs pour les capteurs de flux thermique,
  • enfin les couches minces pour les capteurs de flux thermique.
Le parc d’équipements permet une mise à l’échelle de matériaux thermoélectriques à hautes performances. Ainsi, par exemple, des matériaux à base de silicium (SiGe, MgSiSn, MnSi), issus de poudres atomisées (procédé capable de traiter de forts volumes de production) ont été développés. Ces matériaux offrent des propriétés intéressantes, présentent un coût raisonnable et sont faciles à synthétiser. Il est possible de mettre en œuvre des matériaux et des composants thermoélectriques depuis l’échelle du laboratoire jusqu’à celle d’une installation pilote (3 kg/semaine de matériaux thermoélectriques) située dans nos locaux, sur notre plateforme de métallurgie des poudres .


AVANTAGES

  • Conversion directe de chaleur en électricité permettant une économie d’énergie
  • Système compact et de taille/puissance variable
  • Matériaux respectueux de l’environnement
PROJETS

  • Des matériaux thermoélectriques à base de siliciures ont été produits par lots de plusieurs kilos et fournis à la société Hotblock Onboard qui développe un générateur thermoélectrique pour pot d’échappement de moteurs marins. Elaborés en plots fonctionnalisés, testés sous gaz chaud, ces matériaux atteignent des facteurs de mérite bien supérieurs à l’état de l’art. Un échangeur de 85 W de puissance électrique a ainsi été mis au point et testé. Un transfert vers la start-up Hotblock OnBoard, essaimée du CEA en 2012, a été réalisé, donnant lieu à la réalisation d’un échangeur d’une puissance supérieure à 1,5 kW électrique.- Dans le cadre du projet RENOTER2 (FUI/BPI), le Liten a réalisé plusieurs milliers de plots thermoélectriques en matériaux abondants et verts (MgSiSn/MnSi), par un procédé en volume, afin de les intégrer dans des échangeurs de Valeo, qui seront testés chez Renault (voiture) et Renault Trucks (camions).
  • Le Liten est également impliqué dans le projet PHIMS (ANR) portant sur l’étude approfondie du matériau MnSi et ses propriétés thermoélectriques. Ce matériau présente l’avantage d’être très peu coûteux et donc compatible avec des marchés industriels autres que de niche.
REPERES
  • Une vingtaine de personnes
  • 40 brevets en portefeuille
  • Publications :
« Finding Unprecedentedly Low-Thermal-Conductivity Half-Heusler Semiconductors via High-Throughput Materials Modeling »,  J. CARRETE et al. – 2014
« Double-Sided Cooling and Transient Thermo-Electrical Management of Silicon on DCB Assemblies for Power Converter Modules: Design, Technology and Test », T. CAROFF et al. – 2013
« Process Scalability for Promising Si Based Thermoelectric Materials », C. NAVONE et al. – 2015

Pour en savoir plus

  Pour en savoir plus sur la fabrication de plots thermoélectriques pour le secteur automobile, cliquez ici.

  Pour en savoir plus sur l'étude des siliciures de manganèse, cliquez ici.


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