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Article | Efficacité énergétique


Thermoélectricité haute température pour l’efficacité énergétique des procédés : les enjeux de la récupération d’énergie dans l’industrie

Thermoelectricité HT

Publié le 6 octobre 2016

​Comment récupérer l’énergie liée à la production de chaleur dans les process industriels et réduire ainsi leur bilan carbone ? Cette thématique récente, rendue de plus en plus incontournable dans les réflexions autour de l’usine du futur, est pleinement investie par le Liten engagé dans les recherches autour des matériaux thermoélectriques et de la conversion d’énergie.

De nombreux process industriels ont recours à des procédés haute température, sans faire l’objet de récupération d’énergie. Or cette énergie est facilement récupérable par voie thermoélectrique. Le Liten s’est donc intéressé à ce sujet depuis 2012. Ses travaux intéressent des secteurs comme l’industrie du verre, la métallurgie, l’aérospatiale ou des groupes d’ingénierie industrielle fournissant des usines clés en main. Il a en outre participé à la création d’une start-up spécialisée dans la réalisation de matériaux et modules thermoélectriques de moyenne et haute température, pour stimuler la récupération d’énergie au niveau des moteurs et procédés industriels. Des projets de recherche communs menés sur trois ans ont permis aux deux partenaires de monter en compétences sur les matériaux et les applications hautes températures.

Outre la récupération d’énergie brute, les applications imaginées par le Liten peuvent aussi viser d’autres usages, comme l’alimentation en énergie de capteurs autonomes installés au cœur des process. Ces démonstrateurs s’inscrivent dans les nouvelles applications de « l’usine du futur ». Leur fonctionnement en conditions réelles d’utilisation a pu être démontré lors de projets bilatéraux menés avec l’industriel Rio Tinto, notamment. Chaque projet nécessite de nouveaux développements pour tenir compte des environnements sévères spécifiques à chaque industrie, et d’adapter les dispositifs en termes de robustesse et fiabilité (en particulier résistance aux températures élevées, aux dégagements gazeux, aux environnements électromagnétiques, aux coulées de métal fondu, etc.).

Dans ses développements, le Liten s’emploie à substituer les matériaux rares et toxiques (Tellure, plomb) visés par le règlement européen Reach, par des  siliciures : le Silicium Germanium (SiGe) pour les très hautes températures (supérieures à 500°C, voire même 800°C) et le couple MnSi, MgSi(Sn) pour les températures moyennes (300° à 500°C). Ses interventions consistent généralement, dans une première étape, en une étude de faisabilité et de viabilité technico-économique tenant compte de l’environnement et des contraintes de l’industriel. Puis en fonction de la puissance électrique à générer, les équipes évaluent la taille et le coût du dispositif thermoélectrique. Elles fabriquent dans un troisième temps le prototype en fonction des spécifications, puis procèdent aux essais et qualification du système en conditions réelles d’utilisation.  

Cette nécessité de récupérer l’énergie là où elle disponible, aux fins de réduire le bilan carbone des process industriels, confère à ces travaux une actualité forte, que viennent encore accentuer les nouveaux enjeux liés à l’usine du futur.

AVANTAGES


  • Un spectre d’intervention très large, de la théorie à la qualification de démonstrateurs sur site industriel. 
  • Une maîtrise complète de toute la chaîne de valeur, des matériaux, modules, aux systèmes thermoélectriques complets.
  • Une conversion directe de chaleur en électricité permettant une économie d’énergie, et la génération de nouveaux usages au cœur des process industriels (capteurs autonomes).
  • L’utilisation de matériaux robustes, performants et non polluants.

PROJETS


  • Un transfert vers la start-up Hotblock Onboard, essaimée du CEA en 2012, a été réalisé. La start-up valorise aujourd’hui la chaleur perdue dans les transports et l’industrie. 
  • Des projets bilatéraux avec Rio Tinto ont été conduits dans une réflexion portant sur « l’usine sans fil » ou « l’usine du futur ». Ils consistent en l’installation de dispositifs thermoélectriques sur des points chauds des process industriels qui, générant une puissance électrique, alimentent différents capteurs (température, flux de chaleur…). 
  • Le CEA Liten est également impliqué dans le projet ANR PHIMS portant sur l’étude approfondie du matériau manganèse silicium (MnSi) et ses propriétés thermoélectriques. Il présente l’avantage d’être très peu coûteux et donc compatible avec des marchés industriels.

REPERES


  • Une vingtaine de chercheurs
  • 40 brevets

 Publications :


« High temperature solar thermoelectric generator – Indoor caracterization method and modeling », A. Pereira, T. Caroff, G. Lorin, T. Baffie, K. Romanjek, S. Vesin, K. Kusiaku, H. Duchemin, V. Salvador, N. Miloud-Ali, L. Aixala, J. Simon - Energy 84, 2015.

« High-Performance Silicon-Germanium-Based Thermoelectric Modules for Gas Exhaust Energy Scavenging », K. Romanjek, S. Vesin, L. Aixala, T. Baffie, G. Bernard-Granger, and J. Dufourcq – Journal of Electronic Materials, 2015.

« Process Scalability for Promising Si Based Thermoelectric Materials », C. Navone, T. Baffie, G. Bernard-Granger, J. Simon, M. Soulier, K. Romanjek, J. Leforestier, V. Salvador, L. Aixala – TMS 2015 Annual Meeting Supplemental Proceedings, 2015.  C.
2015


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