La thermoélectricité connaît, depuis quelques années, un vif regain d'intérêt, en particulier de la part des industriels ; avec des développements pouvant représenter une réponse intéressante face aux problèmes énergétiques.
Article rédigé par Jean-François Desessard.
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Et pour cause ! En effet, alors que les problèmes énergétiques deviennent de plus en plus préoccupants, avec la confirmation d'un changement climatique, d'origine anthropique ou pas, et l'épuisement probable des réserves de pétrole à l'horizon de quelques décennies, voire tout au plus avant la fin du siècle, la recherche et l'industrie prospectent dans toutes les directions afin de débusquer au plus vite des solutions. Parmi celles-ci, la thermoélectricité, dont les effets ont été découverts dans la première moitié du XIXe siècle, fait désormais l'objet de nombreux travaux. Demain, la récupération de l'énergie perdue dans la chaleur du pot catalytique d'une automobile permettra sans doute de recharger la batterie alimentant certains instruments de bord. Quant à la chaleur du corps humain, elle pourrait être utilisée bientôt pour fournir l'énergie nécessaire pour augmenter la durée de vie d'une batterie de téléphone portable, via un pull-over thermoélectrique. D'où l'intérêt croissant des industriels pour la thermoélectricité.
Soumis à un gradient thermique, certains matériaux dits "thermoélectriques" produisent une force électromotrice. C'est l'effet Seebeck, du nom du physicien allemand, Thomas Johann Seebeck, qui l'a découvert en 1821. Parcourus par un courant électrique, les mêmes matériaux développent un gradient thermique. C'est ce que les chercheurs appellent l'effet Peltier, observé pour la première fois en 1834 par le physicien français Jean Peltier. En 1851, le physicien anglais William Thomson (Lord Kelvin) décrit la relation entre un courant électrique et un flux de chaleur dans un matériau conducteur. Il montre qu'un matériau conducteur homogène soumis à un gradient de température et parcouru par un courant électrique dégage ou absorbe de la chaleur avec son environnement et que, à l'inverse, un matériau soumis à un gradient thermique et parcouru par un flux de chaleur est le siège d'un courant électrique (effet Thomson).
Cela dit, si ces effets thermoélectriques permettent d'envisager à plus ou moins long terme des applications extrêmement prometteuses, la complexité de leur mise en oeuvre a conduit les industriels à ignorer cette technologie durant de nombreuses décennies. Et ce n'est que tout récemment qu'ont été véritablement relancées les recherches autour de la thermoélectricité. Certes, les problèmes énergétiques, et plus généralement le changement climatique planétaire entraîné par un accroissement de l'effet de serre, ont joué un très grand rôle dans ce redémarrage. Dans un pareil contexte, plus question en effet d'évacuer de gigantesques quantités de chaleur dans l'atmosphère. Mais la découverte de nouveaux matériaux, en particulier du côté des oxydes, a également été un moteur dans ce redémarrage. Pour Charles Simon, directeur du tout nouveau groupement de recherche sur la thermoélectricité ("GDR Thermoélectricité") créé le 1er janvier 2007 par le CNRS, "ce regain d'intérêt pour la thermoélectricité est une des conséquences directes de la découverte des cuprates supraconducteurs".
Etats-unis et Japon en tête de la course
Les perspectives d'applications que permet d'envisager la thermoélectricité impliquent donc pour les chercheurs de franchir une première étape consistant à développer de nouveaux matériaux présentant des propriétés thermoélectriques élevées. Rappelons qu'un matériau thermoélectrique est caractérisé par ce que les chercheurs appellent la "figure de mérite", ou facteur de mérite, le ZT, en général égal à 1, qui est fonction de sa conductivité électrique et thermique et de son pouvoir thermoélectrique. Au cours des années 1990, des travaux théoriques ont montré que la voie des matériaux composites ou des nanomatériaux structurés en couches minces permettait d'atteindre des ZT de l'ordre de 2, 3, voire 4. Dans le même temps, des résultats expérimentaux ont permis d'obtenir des matériaux dont le ZT se situait autour de 2, d'où des rendements de conversion thermique électrique relativement satisfaisants pour tout un éventail d'applications diverses.
Parallèlement à cette première voie, il en existe une seconde qui consiste à synthétiser de nouveaux matériaux. "Ces deux voies ne s'opposent nullement mais se complètent, l'une pouvant répondre à un besoin spécifique ou à une gamme de température précise, et pas l'autre", souligne Marc Plissionnier, chercheur au sein du LITEN (Laboratoire d'innovations pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux) du CEA, dans le Laboratoire des composants hybrides où il dirige l'équipe Systèmes de récupération d'énergie.
En matière de recherche sur les matériaux thermoélectriques, les Etats-Unis font évidemment la course en tête. Jusqu'au début des années 1990, le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de Pasadena, en Californie, était quasi seul à travailler dans ce domaine, exclusivement dans le cadre de programmes spatiaux et militaires. Aujourd'hui, les travaux qui y sont menés sous la direction d'un français, Thierry Caillat, ont déjà permis de développer notamment des nanomatériaux dont le ZT est supérieur à 1. Par ailleurs, le JPL participe à un projet important lancé par General Motors (GM). L'idée est de récupérer l'énergie perdue dans la chaleur émise par des véhicules, en particulier au niveau de leur pot d'échappement, l'objectif étant de réduire d'environ 10% les émissions de CO2 des camions, voire des automobiles. Particulièrement dynamique, la petite entreprise américaine Hi-Z conçoit, elle aussi, des prototypes de systèmes utilisant des matériaux thermoélectriques, en particulier pour des camions. Parallèlement, elle développe des matériaux couches minces à multipuits quantiques et s'oriente vers une nouvelle voie de fabrication de nanocomposites.
A l'université de Californie de Santa-Cruz, le Thermionic Energy Conversion Center (TEC) que dirige Ali Shakouri constitue un pôle de compétences qui regroupe de nombreux laboratoires travaillant sur la thermoélectricité. L'approche couches minces est privilégiée par l'équipe d'Ali Shakouri qui a commencé par travailler sur des structures multicouches à multipuits quantiques de type silicium-silicium-germanium, avant de passer à la réalisation de matériaux thermoélectriques conçu à partir de semi-conducteurs de type III-V dans lesquels les chercheurs ont inclu des nanoparticules de semi-métalliques comme de l'arséniure d'ytterbium. Résultat : des ZT supérieurs à deux.
De l'autre côté des Etats-Unis, sur la côte Est, plus particulièrement au MIT (Massachussets Institute of Technology), travaille le professeur Mildred Dresselhaus, considéré comme l'un des précurseurs de la nouvelle génération de matériaux nanostructurés. Cette universitaire, qui a été conseillère auprès du président Bill Clinton au début des années 2000, a publié les articles clés, de rupture, dans le domaine des nouveaux matériaux nanostructurés.
Pour sa part, le Japon, tout comme les Etats-Unis, semble avoir pris de l'avance dans cette véritable course qui est engagée autour de la thermoélectricité. Ainsi des actions significatives en matière de recherche dans le domaine des matériaux et de l'optimisation de leurs propriétés thermoélectriques sont soutenues par de grands groupes industriels nippons. Pour se convaincre de ce bouillonnement intellectuel autour de ce sujet, il suffit d'observer le grand nombre de brevets concernant des systèmes de matériaux thermoélectriques déposés par les Japonais depuis quelques années. Rappelons pour l'anecdote que le groupe japonais Seiko à été le premier à commercialiser, dès 1998, une montre équipée d'un module thermoélectrique en tellure de bismuth.
Une europe plus "théorique" en ordre dispersé
En Europe, c'est principalement en Allemagne qu'ont été menées jusqu'à présent les actions importantes en matière de R&D dans le domaine de la thermoélectricité, en particulier au sein des instituts Fraunhofer. Tout comme les Etats-Unis et le Japon, l'Allemagne dépose beaucoup de brevets sur ce thème. Cette activité a conduit à la création de plusieurs start-up outre-Rhin, la plus connue étant Micropelt. Celle-ci propose déjà des matériaux thermoélectriques conventionnels, à base de tellure de bismuth, mais avec une approche originale, puisqu'il s'agit d'intégrer ces matériaux dans la technologie MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems).
Récemment, dans le cadre d'une collaboration entre l'Institut Hahn Meitner de Berlin, le CEA- Drecam et l'université de Liverpool, des chercheurs ont mis en évidence la présence de structures nanométriques dans les cobaltates de sodium. Rappelons que les cobaltates sont des structures alternant des couches planes d'oxydes de cobalt avec des ions de métaux alcalins comme le lithium ou le sodium. Or la compréhension de la formation de ces structures spécifiques devrait ouvrir la voie à la production de nouveaux matériaux à fort pouvoir thermoélectrique.
D'autres pays comme la Grande-Bretagne ou l'Espagne mènent également des travaux sur le sujet, mais le plus souvent en ordre dispersé. Qui plus est, ceux-ci restent relativement théoriques à l'image des recherches poursuivies dans les pays de l'Europe de l'Est. D'où l'intérêt du GDR Thermoélectricité qui regroupe à ce jour 28 laboratoires, dont 24 laboratoires français et quatre laboratoires européens (Chypre, Pologne, République tchèque, Suisse), les uns travaillant sur les matériaux, d'autres sur la physique du phénomène, un troisième groupe faisant de l'optimisation de l'ingénierie. "Les principaux objectifs de ce GDR, dont la durée est de quatre ans, sont d'améliorer la compréhension du phénomène de thermoélectricité, d'identifier les verrous technologiques, d'optimiser les propriétés des matériaux, enfin de fabriquer quelques démonstrateurs un peu intégrés pour montrer leur fonctionnement à travers quelques applications choisies", résume Charles Simon.
Reste que s'il existe de fortes compétences dans le domaine des matériaux au sein des laboratoires français, jusqu'à récemment il subsistait un vide entre le matériau et le produit industriel. "Passer de l'un à l'autre nécessite le développement de toute une palette de recherches qui permette d'intégrer ces matériaux dans des systèmes. C'est pourquoi le CEA a décidé, depuis trois ans, de se positionner sur ce créneau indispensable", explique Marc Plissonnier. Dans ce cadre, les chercheurs du CEA de Grenoble sont déjà parvenus à mettre au point un générateur thermoélectrique capable de fournir une puissance de 120 microwatts pour un gradient thermique de 30° C. "Nous sommes de plus en plus sollicités par des industriels. La possibilité de pouvoir disposer à terme de matériaux dont le ZT est supérieur à deux les pousse à nous poser des questions précises, fruit de réflexions très pointues sur les systèmes futurs qui intégreront ces matériaux", précise-t-il.
THERMA SCAPE (THERrmoelectric MAterial for Energy Scavenging Power Expanding), projet financé par l'Agence nationale de la recherche, et auquel participent, outre le CEA, différents partenaires universitaires et deux groupes industriels - Schneider Electric et ST Microelectronics - a pour objectif de fabriquer des matériaux nanostructurés. D'autres industriels français sont impliqués dans un projet européen qui concerne notamment la thermoélectricité.
Des applications significatives à une échéance de dix ans
Aujourd'hui, l'équipe grenobloise de Marc Plissionnier fabrique des matériaux nanocomposites, à base de tellure de bismuth et de silicium germanium, qui permettent de traiter deux gammes de températures, l'une ambiante, l'autre à plus haute température, ceci pour différentes applications. "Imaginez le jour où la recherche parviendra à valider la rupture annoncée d'un ZT égal ou supérieur à trois", s'enthousiasme le chercheur du CEA. La thermoélectricité deviendrait alors tout à fait compétitive par rapport aux systèmes à compression utilisés aujourd'hui dans nos réfrigérateurs. Ces derniers se transformeraient aussitôt en appareils silencieux ne nécessitant plus l'utilisation d'un gaz. Cela dit, avec un ZT supérieur à deux, un certain nombre d'applications, certes plus "niches", peuvent déjà être envisagées. Reste à savoir à quel horizon temporel elles arriveront sur le marché, du moins pour les plus emblématiques. "Certaines équipes se sont donné trois ans pour concevoir un prototype de pot d'échappement. A ce rythme, des véhicules haut de gamme pourraient en être équipés dans une dizaine d'années. Pour y parvenir, il faudra être capable de proposer des matériaux à des coûts faibles, de l'ordre de quelques dixièmes d'euros le watt".
