Plus de puissance grâce à la chaleur perdue

Plus de puissance grâce à la chaleur perdue

Horodatage: 29 avril 2023 4:22
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29 avril 2023 (Actualités Nanowerk) Lorsque des combustibles fossiles, mais aussi des biocarburants, sont brûlés, de grandes quantités d'énergie sont perdues sous forme de chaleur perdue. Les matériaux thermoélectriques pourraient convertir cette chaleur en électricité, mais ils ne sont pas encore assez efficaces pour une application technique. Une équipe du Max Planck Institut für Eisenforschung a maintenant augmenté l'efficacité d'un matériau thermoélectrique en élucidant l'influence de la microstructure sur le matériau et en optimisant les propriétés du matériau en ajoutant du titane. La chimie et l'arrangement atomique des phases aux joints de grains définissent le transport d'électrons à travers les joints de grains La chimie et l'arrangement atomique des phases aux joints de grains définissent le transport d'électrons à travers les joints de grains. La phase limite de grain riche en titane fournit un chemin conducteur (à gauche) tandis que la phase limite de grain riche en fer est résistive aux électrons (à droite). (Image : R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) La crise climatique nous oblige non seulement à éliminer progressivement les combustibles fossiles, mais aussi à économiser l'énergie. Surtout là où les combustibles fossiles ne peuvent pas encore être remplacés aussi rapidement, ils devraient au moins être utilisés efficacement - par exemple, en générant de l'électricité à partir de la chaleur résiduelle des installations industrielles ou des centrales électriques à forte intensité énergétique. À l'heure actuelle, environ 17 % de l'énergie utilisée dans l'industrie européenne est perdue sous forme de chaleur perdue. Il pourrait être exploité à l'aide de matériaux thermoélectriques. Dans de tels thermoélectriques, une tension électrique est générée lorsqu'ils sont exposés à une différence de température. Cependant, les thermoélectriques actuels ne sont pas suffisamment efficaces pour être utilisés à grande échelle industrielle. Une équipe de recherche dirigée par le Max Planck Institut für Eisenforschung de Düsseldorf a réussi à optimiser un thermoélectrique, car les matériaux sont connus dans le jargon technique, et se rapprochent ainsi d'une utilisation industrielle. L'équipe a publié ses conclusions dans la revue Matériaux énergétiques avancés ("Phases aux joints de grains dans les alliages NbFeSb semi-Heusler : une nouvelle voie pour ajuster les propriétés de transport des matériaux thermoélectriques"). L'équipe a étudié un alliage de niobium, de fer et d'antimoine qui convertit la chaleur résiduelle en électricité à des températures allant d'environ 70 à plus de 700 degrés Celsius avec une efficacité de XNUMX %, ce qui fait de cet alliage l'un des thermoélectriques les plus efficaces. Seul un matériau composé de bismuth et de tellure atteint des valeurs similaires. Cependant, le tellurure de bismuth ne convient qu'à une utilisation à des températures relativement basses et est mécaniquement moins stable que le thermoélectrique composé de niobium, de fer et d'antimoine. De plus, ses constituants sont moins facilement disponibles.

Le titane améliore la conductivité électrique

Pour augmenter encore l'efficacité du thermoélectrique composé de niobium, de fer et d'antimoine, les chercheurs se sont concentrés sur sa microstructure. Comme la plupart des métaux, les matériaux thermoélectriques sont composés de minuscules cristaux. La composition et la structure des grains, ainsi que les propriétés des espaces entre eux, appelés joints de grains, sont cruciales pour la conductivité thermique et électrique des matériaux thermoélectriques. Des recherches antérieures ont montré que les joints de grains réduisent à la fois la conductivité thermique et électrique du matériau. Pour une efficacité maximale, la conductivité thermique doit être aussi faible que possible afin que la chaleur, c'est-à-dire l'énergie, reste dans le matériau. La conductivité électrique, cependant, doit être élevée afin de convertir autant de chaleur que possible en électricité. L'objectif de l'équipe du Max Planck Institut für Eisenforschung, de la Northwestern University (USA) et du Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden était donc d'optimiser les joints de grains de manière à ce que seule la conductivité thermique soit réduite, mais pas la conductivité électrique. «Nous avons utilisé des microscopes électroniques à transmission à balayage et des sondes atomiques pour étudier la microstructure de l'alliage jusqu'au niveau atomique», explique Ruben Bueno Villoro, doctorant au Max Planck Institut für Eisenforschung. "Notre analyse a montré que les joints de grains doivent être optimisés pour améliorer les propriétés électriques et thermiques." "Plus les grains du matériau sont petits, plus le nombre de joints de grains est élevé et plus la conductivité électrique est mauvaise", explique Siyuan Zhang, chef de projet dans le même groupe de recherche. « Cela n'a pas de sens d'augmenter la taille des grains dans le matériau, car des grains plus gros augmenteraient la conductivité thermique et nous perdrions de la chaleur et donc de l'énergie. Par conséquent, nous avons dû trouver un moyen d'augmenter la conductivité électrique malgré les petits grains. Les chercheurs ont résolu le problème en enrichissant le matériau avec du titane, qui, entre autres, s'accumule aux joints de grains et augmente la conductivité électrique. De cette façon, ils ont augmenté l'efficacité thermoélectrique de l'alliage jusqu'à 40 %. Pour les applications pratiques, cependant, l'efficacité doit encore augmenter de manière significative.

Prochaine étape : enrichissement sélectif du titane aux joints de grains

Aujourd'hui, l'équipe de recherche analyse les moyens d'ajouter sélectivement du titane uniquement aux joints de grains sans enrichir l'ensemble du matériau avec du titane. Cette stratégie réduit les coûts et préserve en grande partie la composition chimique d'origine du matériau thermoélectrique. Les recherches actuelles montrent comment les propriétés fonctionnelles peuvent être liées à la structure atomique d'un matériau pour optimiser spécifiquement certaines propriétés.

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