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Comment fabriquer un panneau solaire low-tech

Tue, 05 Oct 2021 00:00:00 +0000

George Cove, aux côtés de son troisième dispositif solaire. Source: \"Generating electricity by the sun's rays\", Popular Electricity, Volume 2, nr. 12, April 1910, pp.793.

Plus efficaces, peu écologiques

Depuis que les laboratoires Bells ont présenté leur premier panneau solaire prêt à l’emploi dans les années 1950, tous les efforts de recherches ont été orientés vers la réduction des coûts et l’amélioration du rendement des cellules photovoltaïques. Dans ces deux domaines, les chercheurs ont effectivement fait des progrès spectaculaires : le rendement des panneaux solaires est passé de moins de 5% dans les années 1950 à plus de 20% aujourd’hui, tandis que le prix par watt-crête est passé de 30 dollars en 1980 à moins de 0.2 dollars en 2020 (watt-crête : puissance maximale que les cellules peuvent produire). Ces coûts très bas – permis entre autres par un haut rendement – sont d’une importance capitale car ils permettent au solaire photovoltaïque d’être compétitif sur le marché de l’électricité face aux énergies fossiles.

Pourtant, en matière de durabilité, les progrès ont été bien plus limités. Pour commencer, les panneaux solaires ne sont toujours pas recyclables, et ce depuis les années 1950 : c’est toute une filière de déchets qui finit dans nos décharges. D’autant que ce flux n’est pas près de se tarir : il faut 25 à 30 ans avant qu’un panneau solaire ne devienne inutilisable, et la plupart des panneaux ont été installés récemment. Les dernières estimations des chercheurs avancent qu’en 2050, près de 80 millions de tonnes de panneaux solaires achèveront leur cycle de vie. ¹²³ Cela représente une quantité de déchets significative et un danger pour l’environnement – les cellules photovoltaïques contiennent des éléments hautement toxiques et présentent un risque de combustion.

Le fort besoin en capital de ces technologies, couplé à de longues chaînes logistiques, empêche la production locale de panneaux solaires par des entreprises moins aisés ou des collectifs informels (DIY, Do It Yourself).

La fabrication de panneaux photovoltaïques elle-même pose de nombreux problèmes. Elle génère des déchets toxiques et nécessite une chaîne d’approvisionnement mondiale, comprenant des usines à forte intensité en capital, des machines complexes, des matériaux extraits du sol et un apport régulier en combustibles fossiles. Dans les analyses du cycle de vie des panneaux solaires, les scientifiques calculent la quantité d’énergie et de matériaux nécessaires à la construction d’un panneau solaire. Cependant, ils ignorent la quantité massive d’énergie et de matériaux nécessaires à la mise en place et au maintien de la chaîne d’approvisionnement solaire photovoltaïque ellemême. ⁴⁵⁶⁷⁸⁹¹⁰¹¹ Par conséquent, ces études ne révèlent pas le coût réel des panneaux solaires en termes de dépendance aux combustibles fossiles, d’émissions et d’autres pollutions environnementales. En outre, le fort besoin en capital de ces technologies, couplé à de longues chaînes logistiques, empêche la production locale de panneaux solaires par des entreprises moins aisés ou des collectifs informels (DIY, Do It Yourself).

S’inspirer du passé

Les panneaux solaires photovoltaïques sont-ils donc irrémédiablement insoutenables d’un point de vue écologique, voués à générer des déchets non-recyclables ? À dépendre de processus de fabrication high-tech et gourmands en capitaux ? Ou bien au contraire, serait-il possible de les fabriquer avec des ressources locales, recyclables et des procédés de fabrication moins complexes et coûteux en énergie ? Autrement dit, pourrait-on créer des panneaux solaires « low-tech » ? Si oui, à quoi cela ressemblerait-t-il en matière de prix et de rendement énergétique ?

Avant de tenter de répondre à cette question, il est important de noter que dans la plupart des cas, la meilleure manière de faire l’économie d’un panneau solaire high-tech n’est pas d’en trouver un low-tech, mais bien d’utiliser l’énergie du soleil directement. C’est à dire : sans la convertir en électricité. Par exemple, un étendoir à linge ou un chauffe-eau solaire sont incomparablement plus efficaces, écologiques et abordables financièrement que n’importe quel sèche-linge ou chauffe-eau électriques branchés à un panneau photovoltaïque. Utiliser directement la lumière du soleil ne nécessite rien de plus que les matériaux disponibles localement, des techniques de fabrication relativement simples et des chaînes d’approvisionnement courtes.

Pourtant dans cet article, je souhaite répondre à cette question au sens strict : peut-on construire des appareils photovoltaïques low-tech, qui puissent convertir le rayonnement solaire en électricité ? Dans un article précédent, nous avons montré que [l’histoire nous offre des pistes inspirantes pour développer des éoliennes plus écologiques](https://qelnixcor.cloud/fr/2019/06/how-to-make-wind-power-sustainable-again/. L’histoire peut-elle aussi nous inspirer afin de concevoir de meilleures cellules photovoltaïques ?

La préhistoire des cellules solaires

Le panneau solaire présenté en 1954 par les Bell Labs ne sortait pas de nulle part. La cellule en silicium trouve son origine dans des appareils plus simples qui pouvaient produire de l’électricité à partir de lumière ou encore de chaleur.

En 1821, Thomas Seebeck découvrit qu’un courant électrique circule dans un circuit composé de deux métaux de natures différentes et dont les jonctions ne sont pas à la même température. C’est sur cet « effet thermoélectrique » que se basent les « générateurs thermoélectriques » qui convertissent la chaleur (par exemple, celle émise par un poêle à bois) directement en électricité. En 1839, Antoine Becquerel découvrit à son tour que la lumière pouvait se transformer en électricité, et cet effet fut démontré sur les solides et particulièrement le sélénium par plusieurs scientifiques dans les années 1870. Cet « effet photoélectrique » donna naissance au « générateur photoélectrique », que nous appelons à présent générateur « photovoltaïque » ou cellule solaire photovoltaïque. En 1883, Charles Fritts créa le tout premier module photovoltaïque en utilisant du sélénium et une fine couche d’or. ¹² ¹³ ¹⁴

A cette époque les applications pratiques pour les appareils photoélectriques et thermoélectriques ne sont pas légion, et ce jusque dans les années 1950. Plusieurs inventeurs conçoivent différents types de générateurs thermoélectriques, le plus souvent alimentés par une flamme de gaz, et leur rendement dépasse rarement les 1 %. Dans le même temps, le panneau solaire fabriqué par Charles Fritts et les cellules solaires au sélénium qui vont suivre convertissent le rayonnement solaire en électricité à un rendement atteignant péniblement 1 à 2 %. ¹⁵ En bref, la période précédant les années 1950 ne semble pas offrir beaucoup d’inspiration pour fabriquer des panneaux solaires photovoltaïques plus durables écologiquement.

Un pionnier oublié de l’énergie solaire

Et pourtant, il semblerait que ce panorama de la « préhistoire du panneau solaire » soit incomplet. En 2019 j’ai reçu un e-mail de la part d’un lecteur de Low-Tech magazine, Philip Pesavento :

« Cela fait depuis le début des années 1990 que j’étudie l’un des pionniers des cellules solaires qui travaillait dans la période précédant la Première Guerre Mondiale. Je deviens trop vieux pour faire quoi que ce soit avec recherches, et bien qu’il y ait eu un ou deux articles académiques à propos de M. Cove, ils sont passés complètement à côté de ce qu’il a accompli. Je vous ai mis ci-joint le PDF d’un Powerpoint que j’ai réalisé en 2015 et que je n’ai jamais montré à personne. Si cela vous intéresse de rédiger un article à ce propos je pourrai vous envoyer une clef USB avec toute la documentation que j’ai rassemblée. »

Si le compte-rendu historique et les hypothèses proposées par Philip Pesavento se révèlent exactes, George Cove aurait tenté de fabriquer un générateur thermoélectrique mais aurait accidentellement créé un générateur photovoltaïque – une cellule solaire. Bien que cela se soit passé au début des années 1900, Cove obtint une puissance de sortie et un rendement comparables à ceux des scientifiques des Bell Labs en 1954. Son modèle dépassait également de loin les performances de toutes les cellules solaires au sélénium fabriquées entre les années 1880 et 1940. ¹⁶ Philip Pesavento:

« Ce serait plutôt excitant de confirmer que des cellules solaires d’une relatif grande efficience furent inventées 40 ans avant que les cellules au silicium ne fassent leur apparition. Plus important encore, s’il s’avère qu’il existait un système de cellules et de panneaux solaires photovoltaïques avant la Première Guerre Mondiale, il pourrait également présenter certains avantages quant au bas coût des matières premières, la faible énergie grise pour convertir les minerais en matériaux métalliques, l’efficacité des cellules photovoltaïques finales et la facilité de fabrication. »

En d’autres termes, si le compte-rendu historique et les hypothèses proposées par Philip Pesavento se révèlent exactes, construire des panneaux solaires low-tech pourrait être à portée de main.

Le générateur électrique solaire de George Cove

C’est en 1905 au Metropole Building à Halifax en Nouvelle-Écosse canadienne que George Cove présenta son premier « générateur solaire électrique ». Il en existe une image, et c’est la seule donnée que nous ayons sur ce panneau. ¹⁷ Pourtant sa puissance et son rendement devaient être remarquables car des investisseurs des États-Unis dépêchèrent un expert à Halifax. Après avoir lu le rapport de cet expert, ils firent venir Cove aux États-Unis (à Sommerville, Massachusetts) pour qu’il puisse continuer à développer son invention.

C’est là-bas que Cove présenta en 1909 sa deuxième machine : un panneau de 1,5 m² qui pouvait produire 45 watts et avait un rendement de 2,75 % pour transformer l’énergie solaire en électricité. Au cours de l’année 1909, Cove déménagea à New York City et c’est là qu’il présenta son troisième prototype. Il s’agissait d’une installation solaire comportant quatre panneaux de 60 watt-crête chacun, qui permettaient de charger cinq batteries au plombacide sulfurique. Cela représentait une surface totale de 4,5 m² , la puissance de production maximale était de 240 Watts et le rendement atteignait 5 % – comparable au premier panneau solaire des Bell Labs. [18]

Ci-dessus: Le premier panneau solaire de George Cove, présenté en 1905. Source: Technical World Magazine 11, nr4, Juin 1909.

Ci-dessus: Le deuxième panneau solaire de Cove, dont une partie est manquante. Source: Technical World Magazine 11, nr.4, Juin 1909.

Ci-dessus: Le troisième panneau solaire créé par George Cove. Source: \"Harnessing sunlight\", René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, Septembre 1909.

Ci-dessus: La troisième installation solaire de Cove. Les panneaux sont maintenant inclinés et non plus posés à plat.Source: Literary Digest 1909, pp. 1153.

Ci-dessus : L’un des panneaux de la troisième installation solaire, sans les vitres. Source: \"Harnessing sunlight\", René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, Septembre 1909.

Bien qu’il ne soit plus fait mention de George Cove dans l’histoire du photovoltaïque, son générateur électrique solaire impressionna sensiblement la presse technique de son époque. Par exemple, en 1909, le Technical World Magazine écrivait : « cette machine est aussi peu coûteuse et robuste que n’importe quelle cuisinière. Même à l’état de prototype rudimentaire, elle est capable, avec deux jours d’ensoleillement, de produire et stocker suffisamment d’électricité pour alimenter une maison ordinaire pendant une semaine. Cet inventeur l’a prouvé depuis des mois et à maintes reprises dans son établissement commercial ». ¹⁸

Des fiches métalliques coulées dans l’asphalte

Comment George Cove a-t-il fait pour construire une installation solaire avec 40 ans d’avance sur son temps ? D’après Philip Pesavento, qui a travaillé en tant qu’ingénieur en semi-conducteurs, Cove souhaitait créer un générateur thermoélectrique (TEG, Thermo-Electric Generator) perfectionné. Son générateur était voué à être exposé à la chaleur d’une cuisinière à bois et à l’énergie solaire dans le même temps. En effet, Edward Watson avait conçu le premier prototype expérimental de générateur thermoélectrique solaire (STEG, Solar TEG) dès 1888. On peut également comprendre clairement quel était le projet initial de Cove avec la description qu’il fait de son appareil :

« C’est un cadre pourvu de plusieurs vitres teintées violettes, derrière lesquelles se trouvent, coulées dans une plaque faite d’un composé asphalté, une myriade de petites fiches métalliques. L’une des extrémités des fiches est toujours exposée au soleil tandis ce que l’autre demeure au frais, à l’ombre. »

Générer la plus grande différence de température possible voilà tout l’enjeu de la production d’électricité avec un système thermoélectrique, ainsi le dispositif imaginé par Cove prend tout son sens. Pourtant, lorsqu’il mesura la puissance générée, il constata que l’appareil ne répondait pas à la chaleur comme le ferait normalement un générateur thermoélectrique. Dès le début, Cove constata que son invention utilisait la chaleur, mais aussi la lumière pour produire de l’électricité lorsqu’elle se trouvait exposée aux rayons du soleil :

« La particularité de mon invention est la suivante : la composition des fiches métalliques a ceci de particulier que lorsqu’elles entrent en interaction avec les rayonnements solaires elles génèrent du courant non seulement grâce au rayonnement thermique mais aussi grâce aux rayons violets. »

Cependant, après avoir d’autres expériences avec la chaleur d’un poêle bois et l’énergie solaire, Cove déclara :

« Exposer la machine à différentes sources de chaleur artificielle ne semble pas générer d’électricité. Seul le rayonnement thermique du soleil semble fonctionner (infra-rouges de courte portée), les rayons violets et ultraviolets jouent peut-être aussi un rôle dans la création du courant électrique. »

En guise de cellules, le panneau solaire de Cove comprenait des « fiches », soit des barres métalliques d’environ 7,5 centimètres, composées d’un alliage de plusieurs métaux courants. Le panneau de 1,5 mètre carré en contenait 976, et on en trouvait 4 x 1804 sur le dispositif de 4,5 mètres carrés. Cependant, garder les barres métallique fraîches d’un côté et chaudes de l’autre – séparées par une couche d’asphalte – n’avait pas d’importance. Ce qui importait, c’est que Cove avait fabriqué sans le savoir une jonction métal/semi-conducteur.

La bande interdite des semi-conducteurs

Ni Georges Cove, ni aucun de ses contemporains ne comprirent comment fonctionnait ce générateur solaire. Ce sont les travaux d’Einstein sur l’effet photoélectrique (en 1905), puis bien plus tard sur la mécanique quantique (dans les années 1930 et au-delà), qui vinrent éclairer la situation grâce aux concepts de matériaux semi-conducteurs et de leur « bande interdite ». Les électrons peuvent avoir plusieurs « rôles » lorsqu’ils sont en orbite autour du noyau d’un atome. On les trouve à différentes distances du noyau où ils forment plusieurs « paquets » que l’on appelle des « bandes ». Ces bandes maintiennent fermement les électrons en place. Entre ces bandes il y a des écarts, des « bandes interdites », où aucun électron ne peut se trouver.

Ni Georges Cove, ni aucun de ses contemporains ne comprenaient comment fonctionnait ce générateur solaire.

Un matériau dit « conducteur » n’a pas de bande interdite, les électrons peuvent donc se déplacer à travers eux. C’est pourquoi un fil de cuivre laisse passer le courant électrique par exemple. Un matériau isolant (le bois, le verre, le plastique ou la céramique) a une bande interdite très large, ce qui bloque le courant électrique. Enfin, un semi-conducteur a une bande interdite plutôt fine : il peut se comporter en isolant ou en conducteur. Il peut devenir conducteur quand ses électrons sont heurtés par des « photons » (une particule élémentaire de la lumière) avec autant ou plus d’énergie qu’il ne leur en faut pour traverser la largeur de la bande interdite du matériau. ¹⁹

Comprendre le fonctionnement des matériaux semiconducteurs a permis de créer les premières cellules solaires photovoltaïques dans les années 1950. Cela a aussi permis d’améliorer les performances des générateurs thermoélectriques, mais pour d’autres raisons : bien que les générateurs thermoélectriques n’utilisent pas les propriétés offertes par la bande interdite des semi-conducteurs, ces matériaux ont un voltage thermoélectrique plus grand et une plus basse conductivité thermique que le métal et les alliages métalliques sans bande interdite, ce qui rend les générateurs thermoélectriques à base de semi-conducteurs plus performants.

La Barrière de Schottky

L’effet photovoltaïque n’apparaît que dans des systèmes non-homogènes. Les scientifiques du Bells Labs ont créé de tels systèmes dans les années 1950 en utilisant la « jonction p-n », qui forme une frontière entre un semi-conducteur chargé positivement et un autre négativement. Les semi-conducteurs de type P ont des places libres pour des électrons appelées « trous » (qui attirent les électrons) tandis ce que les semi-conducteurs de type N ont des électrons supplémentaires. Un potentiel électrique se forme à la jonction entre ces deux éléments du système.

Mais il est également possible de créer un panneau photovoltaïque en utilisant une « Barrière de Schottky », qui se forme entre un semi-conducteur et un métal. Dans ce cas de figure, c’est le métal qui se comporte comme un semi-conducteur de type N. Philip Pesavento explique :

« Mon hypothèse est que Georges Cove a accidentellement créé une cellule solaire basée sur un contact Schottky, des décennies avant que Walter Schottky n’en fasse la description. ²⁰ Ces systèmes permettent de générer un effet photovoltaïque (principalement) mais aussi un effet thermoélectrique.
Les fiches utilisées étaient composées d’un alliage de zinc et d’antimoine – un alliage dont nous savons aujourd’hui qu’il est semi-conducteur. La fiche était surmontée d’un capuchon de maillechort (ou « argent allemand », alliage de nickel, cuivre et zinc) à l’une de ses extrémités, et de cuivre à l’autre. Cela formait respectivement un contact ohmique, puis une barrière de Schottky. Il s’agit d’un appareil photovoltaïque. »

Une découverte fortuite

Si l’on en croit Philip Pesavento, Georges Cove avait probablement pour projet d’utiliser du maillechort comme matériau négatif à chaque extrémité de ses fiches et un alliage de zinc et d’antimoine (ZnSb) comme matériau positif. A l’époque, il s’agissait des meilleurs matériaux thermoélectriques disponibles :

« Je pense qu’il a épuisé son stock de maillechort et qu’il s’est rabattu sur du cuivre pour finir un certain nombre de fiches, ce qui s’entend car la différence de voltage thermoélectrique entre le cuivre et l’argent allemand est très faible. Puis, pendant qu’il effectuait ses tests, Cove a remarqué que ces fiches (celles avec une extrémité recouverte de maillechort et l’autre de cuivre) atteignaient un voltage nettement plus haut que les autres : dans les centaines de mV plutôt que les dizaines de millivolts habituellement observées dans les générateurs thermoélectriques. »

Que se passa-t-il ? En utilisant du cuivre, Cove avait involontairement créé une Barrière de Schottky. Ainsi son générateur thermoélectrique devînt un générateur thermophotovoltaïque. « Un appareil qui fonctionne à la manière des cellules solaires photovoltaïques, mais réagissant à d’autres longueurs d’ondes. Le spectre du rayonnement solaire a une amplitude qui va d’environ 0,5 à 2,9 électron-Volts (eV), de l’infrarouge à l’ultraviolet. Un semi-conducteur dont la bande interdite est comprise entre 1 et 1,7 eV peut convertir efficacement la lumière visible en électricité (c’est un générateur photovoltaïque), tandis qu’un semi-conducteur dont la bande interdite est comprise entre 0,4 et 0,7 eV peut convertir efficacement en électricité le spectre infrarouge du rayonnement solaire (c’est un générateur thermophotovoltaïque).

Ci-dessus: Cette illustration issue du [brevet de 1906 de Cove](https://patentimages.storage.googleapis.com/bc/bb/50/6683e8b44edd4c/US824684.pdf) montre l'alliage zinc-antimoine \" b\"; le capuchon d'extrémité (ohmique) en maillechort \"c\" ; et le capuchon (Schottky) de cuivre ou d'étain \"f\". Chacun de ses éléments est maintenu en place par compression car les souder entre eux diminuait les performances du dispositif.

On sait que ZnSb – le matériau négatif utilisé par Cove pour ses fiches – est un semi-conducteur avec une bande interdite de 0,5 eV. Cela explique en grande partie pourquoi l’inventeur a commencé par observer que son générateur solaire convertissait en électricité tout autant la chaleur que la lumière. Un générateur thermophotovoltaïque ne réagit pas seulement à la part infrarouge du rayonnement solaire, mais il est également sensible au rayonnement d’une flamme ou encore d’une surface incandescente chauffée au bois ou au gaz. Il convertit également une fraction très basse du spectre de la lumière visible en électricité, avec un rendement très faible.

D’après Philip Pesavento, Cove aurait alors ajusté la composition de l’alliage jusqu’à approcher Zn4Sb3 – un alliage de zinc et d’antimoine avec 4 parts de zinc pour 6 parts d’antimoine. On sait maintenant qu’il s’agit aussi d’un semi-conducteur. Pourtant, celui-ci a une bande interdite de 1,2 eV, soit presque comme le silicium (1,1 eV). Ainsi, le générateur thermophotovoltaïque de Cove est devenu un générateur photovoltaïque :

« Grisé par ses découvertes, Cove a probablement voulu fabriquer un grand nombre de fiches et se serait trompé dans les proportions pour l’une des séries. Il a alors mesuré un voltage plus élevé. Cove a alors mené une étude plus poussée sur les alliages de zinc et d’antimoine qui lui a permis de constater que à la proportion de 40-42% de zinc dans l’alliage était celui dont découlait le plus haut voltage (comparativement aux 35% de zinc dans ZnSb). Le nouvel alliage découvert accidentellement par Cove, Zn4Sb3, ayant une plus grande bande interdite que son précédent alliage, cela signifiait qu’il ne générait plus d’électricité lorsqu’il était exposé à la chaleur d’un poêle à bois. Par contre, il surpassait tous les autres alliages lorsqu’il était exposé au rayonnement solaire –car il convertissait désormais une bien plus grande part du spectre lumineux solaire en électricité. »

En utilisant des filtres de verre teintés, George Cove découvrit que la plupart de l’électricité générée l’était en réaction aux rayonnements du côté violet du spectre et très peu provenait du « rayonnement thermique ». Ses prototypes de générateurs photovoltaïques précédents réagissaient de manière équivalente au rayonnement thermique et aux rayons violets, tandis que ses premiers essais (avec du maillechort aux deux extrémités des fiches) ne réagissaient pas du tout aux rayons violets.

Et si on s’intéressait de nouveau à la cellule solaire Schottky?

Les cellules solaires à contact Schottky n’ont été que peu étudiées par les chercheurs et les entreprises privées – on compte très peu de dispositifs photovoltaïques qui utilisent du métal dans leur surface active à part pour les contacts métalliques. ²¹ Malgré tout, Philip Pesavento est persuadé qu’il pourrait valoir la peine de tenter de recréer des cellules photovoltaïques « de Schottky » en s’inspirant des travaux de George Cove :

« S’il était démontré que Zn4Sb3 (avec sa bande interdite de 1,2 eV) peut être utilisé dans une cellule photovoltaïque, il est probable qu’une installation solaire basée sur ce principe serait plus écologique. Elle obtiendrait probablement un TRE (Taux de Retour Énergétique ou EROI, Energy Return on Investment – NdT) élevé et une durée de vie conséquente avec un surplus d’énergie généré sur plusieurs décennies. C’est incroyable que tout le monde semble avoir oublié ce matériau et ses applications possibles dans le photovoltaïque, aucun dispositif solaire basé sur Zn4Sb3 n’a été développé, et ce même après que des chercheurs aient démontré que cet usage serait possible au milieu des années 1980. On peut dire qu’il s’agit d’une découverte prématurée, ce qui veut dire qu’elle pourrait être développée très rapidement avec les moyens actuels. »

Au-delà des panneaux solaires, Philip Pesavento voit aussi un potentiel pour les recherches de Cove dans le développement du thermophotovoltaïque pour les poêles à bois, des application solaires thermiques ou des utilisations tandem en utilisant une double jonction, en utilisant ZnSb plutôt que Zn4Sb3. Pesavento imagine également, si les cellules solaires « à fiches » s’avéraient efficaces, qu’elles permettraient de construire des concentrateurs-collecteurs solaires – comme des miroirs cylindro-parabolique ou des concentrateurs paraboliques composés – pour un coût bien plus bas.

Fabrication low-tech

Le principal attrait du dispositif conçu par Cove est sa méthode de fabrication low-tech. Dans les années 1970 et 1980, des études portant sur un usage photovoltaïque du Zn4Sb3 conclurent que : « les deux atouts évidents de ce matériau sont sa facilité de fabrication et la basse température requise dans la procédure ». ²² Le point de fusion du Zn4Sb3 est de 570 °C, tandis qu’il est de 1400 °C pour le silicium.

Dans les années 1970, des chercheurs ont étudié les cellules solaires Schottky à contact métal/semi-conducteur, cependant il s’agissait d’autres types de semi-conducteurs que le Zn4Sb3. Encore une fois, leur motivation était la procédure de fabrication simple et économique comparativement aux cellules solaires à jonction p-n au silicium de l’époque. ²³²⁴ Pour fabriquer des cellules solaires Schottky, nul besoin de faire diffuser du phosphore à haute température afin de créer une jonction p-n, comme c’est le cas avec le silicium que nous utilisons actuellement. Retrancher cette étape du processus suffit à réduire de 35 % la quantité d’énergie nécessaire à la création des cellules solaires. ²¹

Au cours des années 1980, les chercheurs firent de grandes avancées en ce qui concerne la création de jonctions p-n, si bien que l’intérêt déclina pour les alternatives. Cependant, les dernières années ont vu renaître un intérêt pour d’autres techniques et matériaux. Par exemple, des recherches portant sur les cellules Schottky à base d’un alliage graphène-silicium sont parvenues à la conclusion suivante : « l’un des avantages de cette technique est sa simplicité et son bas coût de mise en œuvre sans procédé de fabrication à haute température ». ²⁵ Dans d’autres études très récentes, les chercheurs concluent que les cellules de type Schottky « au sélénium sont […] très simple et bon marché à fabriquer ». ²⁶²⁷²⁸²⁹

Un recyclage facilité

Un autre atout de ce type de cellules pourrait bien être leur facilité de recyclage. Les modules de silicium sont pris en sandwich entre deux couches feuilletées et encapsulantes (de l’EVA la plupart du temps - éthylène-acétate de vinyle, obtenu par copolymérisation). Ces couches sont déterminantes dans la longévité du module. ¹²³ Au moment de recycler le silicium – le composant le plus précieux d’un panneau solaire – il est nécessaire de retirer ces couches, mais les brûler détrut également les modules. Les cellules de silicium ne peuvent être recyclées qu’avec une combinaison de procédés thermiques, chimiques et métallurgiques. C’est un processus qui est à la fois coûteux et peu écologique. Si l’on voit parfois écrit qu’environ 10 % des panneaux solaires sont « recyclés », il est plus probable qu’ils aient été « sous-cyclés ». Les modules ont été déchiquetés, puis les lambeaux utilisés comme « filler » (fines d’addition, NdT) pour l’asphalte ou le béton de ciment.

En revanche, les cellules photovoltaïques de Georges Cove étaient intégralement recyclables. Elles n’avaient pas besoin de ces couches protectrices et ne contenaient pas de soudure. Philip Pesavento :

« Si l’on construisait ces cellules à la manière de Cove, c’est dire en emmanchant en force les capuchons à la presse autour des fiches et en enroulant du fil de fer autour pour bien les maintenir en place, cela faciliterait leur recyclage car il ne s’agit que d’opérations mécaniques sans usage de quelque produit chimique. Cela nécessiterait beaucoup de main-d’œuvre afin d’assembler ou de démonter le dispositif, mais il serait toujours possible d’automatiser le processus. »

Pesavento est persuadé qu’il serait aussi possible de construire des cellules solaires très fines à partir des matériaux utilisés par Cove. Toutefois, reste à savoir s’il serait véritablement indispensable d’y adjoindre une couche protectrice qui en compliquerait le recyclage. Les cellules solaires de Schottky basées sur d’autres matériaux et sur lesquelles ont été menées des études dans les années 1970 n’avaient pas toujours de couches protectrices et pourtant certaines ont atteint une longévité de 20 ans. ²³

Efficacité

Quels rendements pourrait-on espérer atteindre avec nos futurs panneaux solaires low-tech, si tenté qu’ils puissent voir le jour ? D’après Philip Pesavento, les cellules solaires de type Schottky sont légèrement moins efficientes à matériaux équivalents que les cellules à jonction p-n, car ces dernières génèrent un voltage plus élevé : elles reçoivent plus d’énergie de la part des photons qu’elles absorbent.

« Quand il s’agit de tirer le meilleur rendement possible d’un dispositif à tout prix, c’est une bonne option. Mais si l’objectif est de pouvoir fabriquer des cellules solaires plus facilement avec des méthodes manuelles ou artisanales, alors il serait plus logique d’utiliser des diodes de Schottky. »

D’un autre côté, il serait théoriquement possible de fabriquer des cellules de Schottky qui soient plus fines que des cellules PV en silicium – et cela contribuerait à améliorer leur rendement. Philip Pesavento :

« Je n’ai pas trouvé les chiffres précis des paramètres – vélocité des porteurs de charge, durée de vie des recombinaisons, coefficient d’absorption – pour dire ce qui suit sans équivoque. Mais le fait que Cove ait pu obtenir un aussi haut rendement avec des cellules en forme de baguettes laisse à penser que cela pourrait également fonctionner avec de cellules plates et fines. »

Là encore, on peut trouver des études récentes menées sur les cellules Schottky, à base d’autres matériaux, qui semblent aller dans ce sens. Par exemple, lors d’une expérience menée récemment avec des cellules Schottky au sélénium, les chercheurs ont réussi à affiner la couche de cellules jusqu’à 100 µm, contre 200 à 500 µm habituellement pour les cellules de silicium. ²⁶³⁰ Les scientifiques ont également atteint un rendement expérimental de 17 % avec une cellule Schottky graphène/silicium, alors qu’il y a dix ans le rendement pour ce type de cellules s’élevait à 1,5 %. ²²

On peut aussi questionner l’obsession actuelle pour les rendements plus élevés. Un argument que l’on entend régulièrement est que si des panneaux low-tech voient le jour mais qu’ils sont moins efficaces que leurs équivalents high-techs, alors il faudrait construire plus de panneaux solaires pour produire la même quantité d’énergie. Par conséquent, les ressources qui auraient été sauvegardées grâce aux méthodes de productions low-tech seraient dépensées pour construire ce plus grand nombre de panneaux. Pourtant, atteindre un haut rendement n’est essentiel que si l’on prend la demande en énergie actuelle pour un fait immuable. Une moindre efficacité par panneau pourrait tout à fait être compensée en diminuant la demande en énergie, surtout si cela peut nous permettre de rendre cette production d’énergie plus écologique à long terme et d’économiser des ressources sur toute la chaîne logistique. Comme pour les éoliennes, sacrifier une part d’efficacité pourrait nous apporter de grands grains en matière de durabilité.

Qu’est devenu George Cove?

Si le panneau solaire créé par George Cove était si révolutionnaire, pourquoi n’en entend plus parler aujourd’hui ? À ce propos, les documents sur lesquels Philip Pesavento s’est appuyé pour ses recherches tissent un récit digne d’un polar. Les plans de Cove pour produire à plus grande échelle et commercialiser son appareil photovoltaïque se sont soldés par d’étranges échecs.

L’inventeur s’est associé avec un manipulateur de marchés financiers – Elmer Burlingame – qui a émis des actions pour différentes entreprises qui ne lui appartenaient pas, en 1909 et 1910, incluant la start-up de Cove, la Sun Electric Generator Company. En octobre 1909, il semblerait que Cove ait été kidnappé et menacé de meurtre s’il n’arrêtait pas le développement de son invention solaire. Pourtant à l’époque, la police ignore la piste du kidnapping, jugeant qu’il s’agit d’une histoire montée de toutes pièces. En 1911, Cove et Burlingame furent tous les deux arrêtés pour fraude boursière et passèrent un an en prison. Par la suite, Cove travailla sur d’autres inventions, mais aucune ne porta sur l’énergie solaire. ³¹

En octobre 1909, il semblerait que Cove ait été kidnappé et qu’on l’ait menacé de meurtre si il n’arrêtait pas le développement de son invention solaire.

George Cove était-il un charlatan ? Ou bien a-t-il été la victime de l’un d’eux ? Ou bien encore est-ce que sa réputation a été sciemment entachée parce que son générateur d’électricité solaire risquait de nuire aux profits d’autres entreprises ? On trouve de nombreux exemples de technologies novatrices tuées dans l’œuf par de grandes entreprises basées aux USA. George menait ses recherches à l’époque de l’Edison Electric Illuminating Company à New York, dont les pratiques sans scrupules envers la concurrence sont largement documentées. Si son générateur solaire avait bien fonctionné, alors la demande, croissante à l’époque, en centrales électriques à charbon et à pétrole vendues par Edison, aurait pu en être affectée. ³¹ Plusieurs décennies plus tôt, dans les années 1880, Edison avait notoirement racheté l’entreprise qui fabriquait le meilleur générateur thermoélectrique de l’époque – la thermopile améliorée de Clamond – et avait stoppé le développement de la machine. ³²

Encore plus de mystères

Néanmoins, s’il est tentant d’imaginer George Cove en victime de l’histoire, on ne peut que spéculer. Les archives rassemblées par Philip Pesavento recèlent même d’autres mystères, comme le brevet de Cove – déposé en 1905 et accordé en 1906. Dans celui-ci, l’inventeur détaille la manière dont il a créé ses fiches de Zn4Sb3, ce qui a permis à Pesavento de se baser sur le brevet pour calculer la puissance et le rendement du dispositif solaire. Pourtant Cove décrit la manière dont les fiches peuvent convertir la chaleur d’un poêle à bois en électricité, ce qui n’est pas compatible avec son choix de matériau. Le générateur avec le poêle ne fonctionnerait qu’avec des fiches en ZnSb et leur bande interdite de 0,5 eV. Philip Pesavento :

« Peut-être que ces instructions erronnées étaient volontaires de la part de Cove afin qu’on ne puisse pas copier son brevet de générateur à chaleur et le faire fonctionner ? Je ne sais pas. »

Encore plus surprenant, on trouve une photo de Cove posant aux côtés de l’un de ses panneaux solaires dans le livre de 2013 « Let it shine : The 6,000-Year Story of Solar Energy », un panorama historique de l’énergie solaire, par John Perling. Pourtant, la légende de la photo attribue le panneau solaire présent sur l’image à Charles Fritts, l’inventeur de la cellule solaire au sélénium. De plus, George Cove lui-même a été coupé de la photo. Des extraits du livre, ainsi que la photo, sont apparus sur plusieurs sites internet. Cela n’a pas surpris Philip Pesavento quand je le lui ai fait remarquer :

« J’ai découvert ça il y a des années. J’imagine que quelqu’un qui avait absolument besoin d’une image du panneau solaire de Fritts a trouvé celle-ci et retiré Cove de la photo sur Photoshop. Après tout, c’est vrai qu’il est totalement inconnu et quand il arrive que quelqu’un le connaisse, c’est en pensant qu’il a inventé un générateur thermo-électrique, pas un panneau photovoltaïque. Si on regarde bien les deux photos, on peut voir que le haut de la colonne de droite du portique a été déplacé là où se tenait Cove, il y a quelque chose d’étrange dans sa perspective. »

Mise à jour : Bellingcat démêle le mystère de l’image.

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Why don’t we use conductors for solar panels? When light hits a conductor surface it mostly reflects, and little or no energy is absorbed. Furthermore, in conductors, the free electrons move randomly, there is no flow of current, no directional capacity. ↩︎
Cove was not the first, though. Charles Fritts’ solar cell was also based on a Schottky junction. ↩︎
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Poêles thermoélectriques : la fin des panneaux solaires ?

Tue, 26 May 2020 00:00:00 +0000

Illustration : [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Si le moulin à vent, apparu il y a 2 000 ans, est l’ancêtre de éolienne moderne, le feu de cheminée et le poêle à bois sont quant à eux les prédécesseurs plus vieux encore des panneaux solaires. Tout comme ces derniers, les arbres et les plantes transforment la lumière en source d’énergie utile à l’humain. La combustion du bois et d’autres biomasses a apporté, au cours de l’histoire, l’énergie thermique nécessaire à la cuisine, au chauffage, au nettoyage et à l’éclairage des foyers.

La photosynthèse est également, et depuis toujours, un acteur invisible de la puissance mécanique : elle est à l’origine de l’énergie humaine et animale, ainsi que des matériaux utilisés dans la construction de moulins à eau et à vent. Ni le moulin à vent ni le poêle à bois ne produisaient à l’origine d’électricité, mais aujourd’hui, tous deux peuvent être modifiés pour le faire. Il suffit de relier un générateur électrique au moulin à vent et un générateur thermoélectrique au poêle à bois.

Générateur thermoélectrique

Les générateurs thermoélectriques sont très proches des générateurs « photoélectriques », désormais appelés générateurs « photovoltaïques » ou cellules solaires photovoltaïques. Un générateur photovoltaïque transforme la lumière en électricité, et un générateur thermoélectrique transforme la chaleur en électricité. ¹

Les générateurs thermoélectriques sont des modules très compacts composés d’éléments semi-conducteurs reliés les uns aux autres par des bandes de métal, mais entourés de plaques isolantes en céramique diffusant uniquement la chaleur. ² On peut les acheter librement auprès de fabricants tels que Hi-Z, Tellurex, Thermalforce et Thermomanic.

Générateur thermoélectrique. Image : Gerardtv (CC BY-SA 3.0)

Générateur thermoélectrique. Droits obtenus pour l’utilisation de l’image ci-dessus auprès de Applied Thermoelectric Solutions LLC, [How Thermoelectric Generators Work](https://thermoelectricsolutions.com/how-thermoelectric-generators-work/).

Fixer un générateur thermoélectrique à un poêle à bois produira de l’électricité à chaque utilisation de l’appareil pour cuisiner, chauffer une pièce ou de l’eau. Lors des expériences utilisant les prototypes décrits ci-dessous, la puissance du courant générée par chaque module varie entre 3 et 19 watts.

Comme avec des panneaux solaires, plusieurs générateurs peuvent être reliés parallèlement et en série pour générer autant de tension et de puissance que nécessaire, à condition bien sûr de ne pas recouvrir entièrement la surface du poêle. Et comme avec des panneaux solaires, le courant généré est contrôlé à l’aide d’un régulateur de charge puis conservé dans une batterie, afin que de l’énergie soit disponible même lorsque l’appareil n’est pas allumé. Un poêle thermoélectrique est généralement utilisé pour alimenter des appareils à courant continu basse tension, pour éviter la perte d’énergie lors de l’utilisation d’un convertisseur de puissance.

Les poêles thermoélectriques pourraient être utilisés dans de nombreux pays. L’hémisphère sud est la première cible des recherches menées, près de 3 milliards de personnes (40 % de la population mondiale) dépendant encore de la combustion de biomasse pour la cuisine et l’accès à l’eau chaude. Certains foyers dépendent également du poêle ou du feu de cheminée pour l’éclairage (1,3 milliard de personnes n’ont pas accès à l’électricité) et le chauffage pendant une partie de l’année. Mais les sociétés plus développées font également l’objet de recherches, les poêles et feux de cheminée ayant particulièrement gagné en popularité, notamment en dehors des espaces urbains.

100 % efficace

Depuis la toute première description de l’effet thermoélectrique par Thomas Seebeck en 1821, les générateurs thermoélectriques sont critiqués pour leur faible rendement d’électricité. ³⁴⁵⁶ De nos jours, la puissance électrique des générateurs n’est que de 5 ou 6 %, soit près de trois fois moins que les panneaux solaires les plus couramment utilisés. ⁴

Cependant, l’efficacité électrique d’un générateur thermoélectrique importe peu lorsqu’il est relié à un poêle. Si un générateur ne transforme que 5 % de la chaleur d’un poêle en électricité, les autres 95 % sont toujours libérés sous forme chaleur. Si le poêle sert à chauffer une pièce, il n’y a aucune perte énergétique : il continue à remplir sa mission originelle. L’efficacité totale du système (chaleur + électricité) est proche de 100 % et il n’y a aucune perte énergétique. Avec un poêle approprié, la chaleur libérée peut aussi servir à cuisiner ou à chauffer l’eau.

Plus fiable que les panneaux solaires

Les générateurs thermoélectriques et les panneaux solaires ont beaucoup de points positifs en commun : ils sont modulaires, ne requièrent que peu d’entretien, n’ont pas de pièces mobiles, sont silencieux et durent très longtemps. ⁷ Cependant, les générateurs thermoélectriques ont d’autres avantages intéressants par rapport aux panneaux solaires, pour peu qu’il y ait une source de chaleur (non électrique) régulièrement utilisée dans le foyer.

Même si les générateurs sont environ trois fois moins efficaces que les panneaux solaires, les poêles thermoélectriques représentent une source d’énergie plus fiable, car moins dépendante de la météo, des saisons et de l’heure. Dans le jargon, on dit que les poêles thermoélectriques ont un « facteur de charge » plus élevé que les panneaux solaires.

Même si un poêle n’est utilisé que pour cuisiner ou pour chauffer l’eau, le générateur assure une production d’énergie fiable et durable, quel que soit le climat. De plus, la production énergétique d’un poêle thermoélectrique correspond bien souvent aux besoins énergétiques des propriétaires : les périodes où le poêle est utilisé sont généralement les périodes où le plus d’électricité est consommée. Les panneaux solaires, à l’inverse, ont une production faible, voire nulle, durant les périodes de forte demande énergétique.

Image : Un générateur thermoélectrique soviétique sur une lampe à kérosène, alimentant une radio, 1959. Source : [The Museum of Retrotechnology](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm).

Remarque : ces avantages disparaissent lorsque les générateurs thermoélectriques sont directement alimentés par la chaleur solaire. Les générateurs thermoélectriques solaires (ou « STEGS » en anglais pour Solar Thermoelectric Generators), qui récupèrent la chaleur des rayons du soleil, ne compensent pas leur faible efficacité par leur fiabilité, car ils dépendent de la météo tout autant que les panneaux solaires. ⁸⁹¹⁰

De plus petites batteries

La batterie d’un système thermoélectrique nécessite une plus petite capacité de stockage énergétique que celle d’un système solaire qui doit compenser les nuits, les saisons moins ensoleillées ou les jours pluvieux. La batterie ne doit assurer la production d’électricité qu’entre deux utilisations du poêle, il n’est donc pas nécessaire d’ajouter d’autres générateurs pour compenser les périodes de faible production.

Il est possible d’utiliser à la fois des panneaux solaires et des poêles thermoélectriques pour obtenir un système durable et autonome ne nécessitant que peu de stockage d’énergie. Un tel système hybride fonctionne parfaitement avec un poêle qui ne sert qu’à chauffer des pièces. Les générateurs thermoélectriques produisent la majorité de l’électricité en hiver et les panneaux solaires prennent le relais pendant la période estivale.

Moins cher à installer, plus facile à recycler

Les générateurs thermoélectriques sont aussi plus faciles à installer que les panneaux solaires. Nul besoin de construire une structure sur le toit et un lien avec le réseau, étant donné que l’intégralité du système de production est dans la maison. Cela évite aussi les vols, un problème majeur dans certaines régions.

Tous ces avantages peuvent rendre l’énergie produite par les poêles électriques moins chère que celles des panneaux solaires. La fabrication de batteries, générateurs et supports demande moins d’énergie, de ressources et de finances.

Concernant la durabilité, les modules thermoélectriques présentent un autre avantage : contrairement aux panneaux solaires, ils sont relativement faciles à recycler. Même si les cellules solaires en silicium sont recyclables, elles sont entourées d’une pellicule en plastique (généralement en « EVA » ou en polymère d’éthylène ou d’acétate de vinyle), nécessaire au bon fonctionnement des générateurs sur le long terme. ¹¹ Ôter cette couche sans détruire les cellules de silicium est techniquement possible, mais tellement complexe que le recyclage perd tout son intérêt financier et énergétique. ¹²¹³ Les modules thermoélectriques de leur côté ne contiennent aucune forme de plastique. ¹⁴¹⁵¹⁶

Refroidir les générateurs

L’efficacité électrique d’un générateur thermoélectrique ne dépend pas uniquement du générateur en lui-même. Elle dépend pour beaucoup de la différence de température entre le côté chaud et le côté froid du générateur. En réduisant de moitié l’écart de température entre les deux côtés, on réduit de trois quarts la quantité d’électricité produite. La gestion de la température des générateurs est donc très importante pour générer plus de puissance avec moins de générateurs.

D’un côté, cela implique de trouver la partie la plus chaude d’un poêle pour y fixer les générateurs, à condition qu’ils en supportent la chaleur. La température de surface des poêles varie généralement entre 100 et 300 degrés Celsius ; or les générateurs en tellurure de bismuth (les moins chers et plus efficaces) résistent à des températures continues entre 150 et 350 degrés, selon le modèle.

D’un autre côté, la gestion thermique consiste aussi à réduire le plus possible la température du côté froid. Cette réduction peut se faire soit par convection forcée, qui implique l’utilisation de ventilateurs et de pompes électriques, soit par convection naturelle, à l’aide de dissipateurs thermiques passifs sans charge parasite sur le système.

Les systèmes de refroidissements actifs sont généralement plus efficaces, malgré l’addition d’un ventilateur ou d’une pompe supplémentaire. Cependant, les systèmes passifs sont silencieux, plus fiables et moins onéreux que les systèmes actifs. De plus, le dysfonctionnement d’un ventilateur peut compromettre le système entier à cause d’une surchauffe. ¹⁷

Poêles thermoélectriques avec dissipateurs thermiques

Les premiers poêles thermoélectriques ont été construits au début des années 2000, même si les Soviétiques avaient mis au point un concept similaire dans les années 1950 avec des radios presque intégralement électriques, alimentées par des lampes à kérosène. ⁶ En 2004, une équipe de chercheurs libanais modernise un poêle à bois classique en fonte en y intégrant un générateur thermoélectrique de 56 mm sur 56 mm conçu spécialement. ¹⁸ Le poêle, utilisé pour cuisiner, chauffer de l’eau et des pièces est plutôt petit (52 x 44 x 29 cm) et pèse 40 kg.

Image : Le poêle en fonte utilisé lors des expériences. [^18]

Les chercheurs ont vissé une plaque en aluminium d’un centimètre d’épaisseur sur la partie la plus chaude du poêle, puis y ont fixé le générateur. Un grand dissipateur thermique (180 x 136 x 125 mm) en aluminium a ensuite été attaché au côté froid du générateur. En brûlant 2,5 kg de pin par heure, ils ont obtenu une charge électrique moyenne de 4,2 watts. Faire fonctionner ce poêle pendant 10 heures par jour (plus phase de chauffage) fournirait donc 42 watts-heures d’électricité à un foyer libanais rural, ce qui est suffisant pour couvrir les besoins basiques.

Image : Détails de l’installation du générateur thermoélectrique et emplacement sur le poêle. [^18]

On peut ajouter plus de générateurs et de dissipateurs thermiques afin d’augmenter la quantité d’énergie produite, mais les générateurs supplémentaires auront un rendement moins élevé étant donné qu’ils seront placés à des zones à température moins élevée. On peut également augmenter la production d’énergie en utilisant un dissipateur thermique plus grand ou plus onéreux dont les matériaux présentent une meilleure conductivité thermique.

Les poêles thermoélectriques avec ventilateurs

À ce jour, la plupart des poêles thermoélectriques utilisent un ventilateur électrique pour refroidir le générateur, ainsi qu’un dissipateur thermique de petite taille. Bien que le ventilateur puisse casser et soit une charge parasite pour le système, il augmente aussi l’efficacité du poêle en ventilant de l’air chaud dans la chambre de combustion, réduisant de moitié la consommation de bois et la pollution créée. De plus, les poêles à ventilateur ne nécessitent pas de cheminée : un tuyau d’échappement horizontal suffit. ¹⁹ Ils pourraient donc réduire la consommation de bois et la pollution dans les régions rurales des pays du Sud où la population n’a pas accès à l’électricité ni les moyens de construire de cheminée.

Une étude menée sur une cuisinière thermoélectrique à convection forcée sur laquelle un générateur était fixé a trouvé une production de 4,5 watts, dont 1 watt alimentant le ventilateur. ²⁰ La production énergétique nette (3,5 watts) est moins élevée que celle d’un poêle thermoélectrique à dissipateur thermique (4,2 watts), mais la consommation de bois est divisée par deux. En effet, le générateur de la cuisinière générait 3,5 watts nets d’électricité en consommant 1 kg de bois par heure, contre 2,5 kg de bois pour 4,2 watts avec le dissipateur thermique.

Image : Cuisinière thermoélectrique à convection forcée. [^20]

Une cuisinière thermoélectrique similaire a été testée pendant 80 jours au Malawi et fut particulièrement appréciée par les utilisateurs, car elle produisait plus d’électricité que nécessaire. Au cours de cette période, entre 250 et 700 watts-heure d’électricité ont été produits par l’appareil, pour une consommation variante entre 100 et 250 watts-heure. ²¹

Des cuisinières thermoélectriques à ventilateur sont disponibles sur le marché, conçues notamment pour les randonneurs. On trouve par exemple les poêles BioLite, Termomanic et Termefor, dont la production énergétique est annoncée entre 3 et 10 watts, en fonction du modèle et du nombre de générateurs inclus. ¹⁷

Les poêles thermoélectriques à réservoirs

Les poêles thermoélectriques les plus efficaces sont ceux dont les générateurs sont directement refroidis par un réservoir d’eau. La résistance thermique de l’eau étant moins élevée que celle de l’air, utiliser un réservoir accélère le refroidissement. De plus, sa température ne peut dépasser les 100 degrés Celsius, ce qui réduit le risque de panne due à une surchauffe.

Image : le principe de poêle thermoélectrique à refroidissement passif. [^17]

Lorsque les générateurs thermoélectriques sont refroidis grâce à l’eau, la chaleur « perdue » lors de la conversion énergétique ne sert pas à chauffer l’air ambiant, mais à chauffer l’eau utilisée lors de tâches domestiques. Les systèmes de refroidissement à l’eau de poêles thermoélectriques peuvent être actifs (pompe) ou passifs (aucune pièce mobile). ¹⁷

La plupart des poêles thermoélectriques avec un système de refroidissement passif à l’eau sont de petite taille et utilisés pour ne chauffer que de petites quantités d’eau. C’est d’ailleurs plus souvent une casserole qui est équipée de générateurs thermoélectriques que le poêle lui-même. Par exemple, le PowerPot est une casserole de randonnée disponible sur le marché et équipée, à sa base, d’un générateur thermoélectrique. Placée directement sur le feu, sa production d’énergie est annoncée entre 5 et 10 watts par heure.

Image : poêle à bois multi-usage à système de refroidissement passif à l’eau. [^22]

Un plus grand poêle a également été conçu par des chercheurs français, s’inspirant de grands poêles à bois multi-usages marocains. ¹⁹²²²³²⁴²⁵ Les chercheurs ont installé huit générateurs thermoélectriques sous un réservoir intégré de 30 L, servant à la fois de dissipateur thermique pour le générateur et de réserve d’eau chaude pour le foyer. Le poêle, équipé d’un ventilateur électrique autonome, comporte également une double chambre de combustion pour en augmenter l’efficacité.

Un prototype a généré lors de tests près de 28 watts d’électricité à l’aide de deux générateurs, tout en ayant consommé 1,5 kg de bois pour la cuisine ou le chauffage. Le ventilateur ayant consommé 15 W, 13 W d’énergie peuvent alimenter d’autres appareils. Ce même poêle a chauffé 60 litres d’eau par heure. En fonction de la durée des deux sessions de cuisine chaque jour, entre 35 et 55 watts-heure d’électricité peuvent être emmagasinés dans une batterie. Les chercheurs ont pris en compte les pertes énergétiques causées par le régulateur de charge, la batterie 6 V et le ventilateur.

Les poêles thermoélectriques avec pompes

Il existe un inconvénient au refroidissement passif à l’eau. Tandis que la température de l’eau du réservoir augmente, la différence entre le côté chaud et le côté froid du générateur diminue et avec elle l’efficacité électrique. Cela suppose donc, pour ne pas perdre en efficacité, de laisser l’eau refroidir ou de la remplacer par de l’eau froide entre deux utilisations. Une pompe facilite ce processus.

Image : Prototype de poêle thermoélectrique avec refroidissement à l’eau des générateurs. [^26]

En 2015, un prototype de poêle à bois utilisé pour la cuisine et le chauffage fut équipé de 21 générateurs thermoélectriques. Les générateurs, accompagnés d’un système de refroidissement à base d’eau pompée, produisirent entre 25 W d’électricité (pour 1 kg de pin par heure) et 166 W (pour 9 kg de bois par heure) en passant par 70 W (pour 4 kg bois/heure). ²⁶ La production individuelle des générateurs s’élevant à 7,9 W, cela représente près du double d’un poêle à système de refroidissement à air. La pompe consomme 5 W et le poêle est également équipé d’un ventilateur consommant 1 W fin d’augmenter l’efficacité de la combustion. ²⁷²⁸

Des chaudières à gaz thermoélectriques ?

Les générateurs thermoélectriques accompagnés d’un système de refroidissement à l’eau correspondent davantage aux infrastructures de sociétés industrialisées, en particulier dans les foyers qui profitent de chauffage centralisé. L’addition de générateurs augmenterait la production d’électricité pour répondre aux besoins d’une famille consommant beaucoup d’énergie. Cependant, ce système présente quelques failles. Tout d’abord, le chauffage centralisé ne concerne que le chauffage des pièces et de l’eau, mais pas la cuisine, ce qui diminue la fiabilité de la production sur une année complète. Ensuite, très peu de systèmes de chauffage centralisé fonctionnent à partir de combustion de biomasse. En effet, la plupart utilisent du gaz, de pétrole ou de l’électricité.

Prototype d’un four à pellets thermoélectrique. [^30]

Évidemment, si la source de chaleur est électrique, il n’y a plus d’intérêt à y adjoindre un générateur thermoélectrique. Le système thermoélectrique est incompatible avec l’idée d’installations écologiques « high-tech » qui comprendraient une pompe à chaleur électrique pour chauffer le foyer, des plaques électriques pour cuisiner et une chaudière électrique pour chauffer l’eau.

Cependant, lorsque la source d’énergie est le pétrole ou le gaz, une chaudière thermoélectrique est tout autant une solution à bilan carbone faible qu’un panneau solaire photovoltaïque connecté au réseau. ²⁹ Un système de chauffage thermoélectrique ne rend pas un foyer indépendant des combustibles fossiles, mais des panneaux solaires photovoltaïques connectés au réseau non plus. Ce dernier dépend du réseau électrique (majoritairement alimenté par des combustibles fossiles) pour contrôler les pénuries et surplus énergétiques et compte généralement sur le chauffage centralisé à base de combustibles fossiles pour le chauffage du foyer et de l’eau.

Image : Un générateur thermoélectrique de 1 kW accompagné d’un système de refroidissement à l’eau pour les ressources géothermiques à basse température. [^31]

Un système de chauffage thermoélectrique alimenté par des combustibles fossiles vaut largement celui d’une grande centrale de cogénération récupérant la chaleur issue de sa production d’électricité pour la redistribuer aux foyers pour le chauffage. Avec un système de chauffage thermoélectrique, la chaleur et l’électricité sont produites et utilisées in situ. Nul besoin de mettre en place une infrastructure pour distribuer la chaleur et l’électricité, comme avec une centrale de cogénération. Cela est plus efficient en ressources et évite des pertes énergétiques liées au transport qui représentent entre 10 et 20 % de la chaleur et entre 3 et 10 % de l’électricité (voire bien plus dans certaines régions).

Une centrale de cogénération est énergiquement plus efficace pour transformer la chaleur en électricité (entre 25 et 40 % de rendement), ce qui signifie qu’un système de chauffage thermoélectrique produit une plus grande proportion de chaleur et une moins grande proportion d’électricité. Mais cela est loin d’être un problème, car même en Europe, 80 % de l’électricité consommée en moyenne dans les foyers sert à alimenter le chauffage de l’eau et des pièces.

Dans les deux cas, le fonctionnement peut être inversé. En envoyant un courant électrique à un générateur thermoélectrique, celui-ci peut servir d’unité de chauffage ou de refroidissement. De la même manière, un courant électrique dans un appareil photovoltaïque produit de la lumière : c’est le principe des LED. ↩︎
Rowe, David Michael, ed. CRC handbook of thermoelectrics. CRC press, 2018. ↩︎
Thermoelectric generators, The Museum of Retrotechnology, consulté en mai 2020. http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm ↩︎
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, et Lírio Schaeffer. « History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality ». Materials Research 17.5 (2014) : 1260-1267. ↩︎ ↩︎
Goupil, Christophe, ed. Continuum theory and modeling of thermoelectric elements. John Wiley & Sons, 2015. ↩︎
Joffe, Abram F. « The revival of thermoelectricity ». Scientific American 199.5 (1958) : 31-37. ↩︎ ↩︎
Le moteur Stirling, un autre prédécesseur du panneau solaire photovoltaïque qui transforme la chaleur en électricité, mais qui présente bien moins d’avantages. ↩︎
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En termes de poids, un générateur thermoélectrique de 5 grammes est composé d’alumine pour les plaques en céramique (44 %) ; de cuivre pour les contacts électriques (28 %) ; de tellure (10 %), de bismuth (6 %) et d’antimoine (2 %) pour les pieds thermoélectriques, et de petites quantités d’étain (pour la soudure), de sélénium (qui sert à « doper » le tellurure de bismuth) et de la pâte de silicium (le seul polymère présent dans le module, qui relie l’ensemble). Dans les générateurs thermoélectriques, la concentration d’antimoine, de tellure et de bismuth, des éléments rares, est très élevée par rapport aux ressources « traditionnelles », d’où l’intérêt du recyclage. ¹⁵ ↩︎
Gao, H. B., et al. « Development of stove-powered thermoelectric generators : A review ». Applied Thermal Engineering 96 (2016) : 297-310. ↩︎ ↩︎ ↩︎
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Les chercheurs proposent aussi une manière de retirer la pompe : un réservoir d’eau peut être placé à une hauteur de 1 mètre, la gravité fonctionnera comme une pompe pour le système de refroidissement, et l’eau chaude produite par le système de refroidissement pourra être stockée dans un réservoir isolé. ↩︎
Un autre prototype a généré une quantité moyenne d’électricité de 27 W avec seulement deux générateurs, plus qu’assez pour alimenter la pompe (8 W). La production nette d’énergie est de 9,5 watts par générateur. Montecucco, Andrea, Jonathan Siviter, et Andrew R. Knox. « A combined heat and power system for solid-fuel stoves using thermoelectric generators ». Energy Procedia 75 (2015) : 597-602. ↩︎
En réalité, les premières expériences portant sur des systèmes de chauffage thermoélectriques datent de la fin des années 1990. Elles visaient le développement de chaudières à gaz autoalimentées. Les systèmes de chauffage centralisés consomment généralement entre 250 et 400 W d’électricité pour alimenter leurs composants électroniques : ventilateur aspirant et refoulant, pompes et tableau de commande. Grâce aux générateurs thermoélectriques, le système continue à chauffer la maison même lors d’une coupure de courant. En plus des panneaux solaires photovoltaïques, cela ne fonctionne que lorsque le soleil brille. Allen, D. T., et W. Ch Mallon. « Further development of" self-powered boilers" ». Dix-huitième Conférence Internationale sur la Thermoélectricité (Eighteenth International Conference on Thermoelectrics). Proceedings, ICT’99 (Cat. No. 99TH8407). IEEE, 1999. Allen, Daniel T., et Jerzy Wonsowski. « Thermoelectric self-powered hydronic heating demonstration ». XVI ICT’97. Proceedings ICT’97. 16ème Conférence Internationale sur la Thermoélectricité (16th International Conference on Thermoelectrics) (Cat. No. 97TH8291). IEEE, 1997. ↩︎