énergie-solaire-concentrée Une centrale solaire thermodynamique de 110 mégawatts (MW) dans le désert du Néguev en Israël.

Le prix de l’énergie produite par des cellules photovoltaïques ayant fortement chuté, est devenue un acteur majeur dans la production électrique de nombreux pays. Mais la nature intermittente de cette forme d’énergie pourrait limiter sa contribution aux futurs réseaux électriques ou nous obliger à développer des capacités de stockage énormes.

Un nouveau composé pour plus d’efficacité

Mais le photovoltaïque n’est pas la seule technologie solaire sur le marché. Les centrales solaires thermodynamiques, fournissant ainsi de la chaleur pouvant être utilisée pour faire fonctionner des turbines. Les progrès en matière de stockage de chaleur signifient que cette technologie peut désormais générer de l’énergie 24 heures sur 24, intégrant essentiellement le stockage dans le processus de production d’énergie.

Malheureusement, le prix des centrales solaires thermodynamiques n’a pas beaucoup changé et le photovoltaïque l’a laissé loin derrière. Mais certains scientifiques spécialistes des matériaux ont peut-être trouvé le moyen d’augmenter considérablement l’efficacité de l’énergie des centrales solaires thermodynamiques, en récupérant certains des avantages de la photovoltaïque.

Les centrales solaires thermodynamiques utilisent la lumière du soleil qui est concentrée par des miroirs pour chauffer un fluide. Cela transfère la chaleur soit à un système de stockage, soit directement à un autre fluide utilisé pour entraîner une turbine, généralement de la vapeur. Mais au-dessus d’une certaine température, il devient possible de remplacer la vapeur d’eau par du dioxyde de carbone supercritique. Cela fonctionne plus efficacement, fournissant potentiellement un coup de pouce de plus de 20%, mais cela nécessite des températures supérieures à 1 000 K.

Le carbure de tungstène et de zirconium

Cela rend les choses un peu plus difficiles, étant donné que plusieurs métaux vont fondre à de telles températures, d’autres vont réagir avec le dioxyde de carbone réduisant ainsi l’efficacité. Pour trouver un matériau susceptible de fonctionner à de fortes températures, vous devez concilier de nombreux facteurs, notamment la résistance à la chaleur et aux produits chimiques, la facilité de fabrication et des taux de transfert de chaleur élevés.

Les chercheurs impliqués dans ce nouveau travail, une grande collaboration basée aux États-Unis, se concentrent sur un matériau composite: le carbure de tungstène et de zirconium. Ceux-ci ont des points de fusion extrêmement élevés: de 3 700 K pour les deux matériaux. Ils conduisent très bien la chaleur, et ni l’un ni l’autre ne se dilatent ou ne se ramollissent dans ces conditions extrêmes, ce qui signifie qu’ils résistent mieux aux contraintes mécaniques.

Bien que les statistiques soient impressionnantes, la partie la plus étonnante est la fabrication de ce matériau. Les chercheurs ont commencé avec le carbure de tungstène, une céramique très résistante et très dure, qui peut être transformée en un matériau poreux simplement en la coulant sous forme de poudre dans un moule et en le chauffant. À ce stade, il peut être encore usinée pour produire plusieurs formes.

Une fois que la forme a été produite, cette céramique est placée dans un bain d’un mélange fondu de cuivre et de zirconium. Ce mélange fondu remplit les pores et le zirconium réagis avec le carbure de tungstène en remplaçant le tungstène. Le cuivre dans ce matériau fondu produit un mince film à la surface du solide.

Puis le tungstène remplit les pores dans ce matériau résultant, lui permettant de conserver la même forme et la même taille malgré les modifications chimiques. Le carbure de zircon finit par conférer au matériau sa rigidité, même à de très hautes températures, tandis que le tungstène est suffisamment flexible pour limiter la fragilité de l’ensemble, et le tout conduit la chaleur mieux que les métaux actuellement utilisés.

Un dernier problème est que dans les centrales solaires thermodynamiques, le cuivre sur ce matériau réagi avec le dioxyde de carbone, formant un oxyde de cuivre et libérant du monoxyde de carbone. Mais les chercheurs ont découvert qu’en ajoutant une petite quantité de monoxyde de carbone au CO2 supercritique, cela supprimerait cette réaction, ce qu’ils ont confirmé expérimentalement.

Un avantage économique mais aussi des limites

Étant donné que ce matériau est beaucoup plus résistant à ces conditions que les métaux actuellement utilisés, il est possible d’en utiliser beaucoup moins pour construire un échangeur de chaleur. C’est un avantage économique (car vous avez besoin de moins de matières premières), et sa petite taille augmente la densité de puissance et l’efficacité de l’échangeur thermique.

Bien que l’efficacité soit un atout majeur, les centrales solaires thermodynamiques, doivent encore compter sur des batteries, car c’est seul possibilité d’accéder à l’énergie 24 heures sur 24. Toutefois, ici aussi les coûts changent suffisamment rapidement pour qu’il soit difficile de savoir où tout cela nous mènera.

Mais si la technologie évolue dans le futur, les centrales solaires thermodynamiques utilisant ce nouveau matériau pourraient devenir une voie pour réduire à la fois les coûts et les émissions de gaz à effet de serre. Cette découverte a été publiée le 17 octobre dans Nature.

Source : Ars Technica