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Nouvelles énergies 06/10/2021

De nouveaux matériaux pour gagner en efficacité énergétique

Le monde de la recherche s’applique à optimiser les matériaux vers davantage d’efficacité énergétique.

Le stockage d’énergie thermique permet aux bâtiments de fonctionner comme des batteries géantes

A l’heure où la transition énergétique s’accélère, on parle beaucoup de la manière dont les entreprises produisent l’énergie, ainsi que du passage des énergies fossiles aux énergies renouvelables.

Qu’elle que soit son origine, fossile ou renouvelable, la question de ce qu’il advient de l’énergie une fois produite est tout aussi importante pour une transition vers un écosystème énergétique durable. Or, de nombreuses études montrent qu'une énorme quantité d’énergie est tout bonnement gaspillée.

La plupart des voitures à essence, par exemple, consomment moins de 30% de l’énergie produite par les carburants. Le reste est dispersé sous forme de chaleur – énergie thermique – par déperdition. Il en va de même dans les raffineries ainsi que dans les industries lourdes, avec près d’un tiers de l’énergie amené à se dissiper dans l’environnement.

C’est cette constatation qui a poussé chercheurs et scientifiques du monde entier à chercher de nouvelles façons d’évaluer la qualité des matériaux, d’améliorer leur efficacité ainsi que de réduire le gaspillage énergétique. Tour d’horizon de quelques initiatives d’intérêt :

Inventer de nouveaux matériaux

Cette lutte contre la déperdition d’énergie a  mené une équipe franco-britannique à concevoir de nouveaux matériaux ayant le potentiel de booster les technologies de transformation énergétique. Leur solution pour éviter la dissipation d’énergie sous forme de chaleur : une technologie qui exploite « l'effet thermoélectrique », à même de récupérer la chaleur perdue (également appelée « énergie fatale ») et la convertir en électricité, susceptible d’être utilisée à de nombreuses fins. Cependant, cela nécessite des matériaux à très faible conductivité thermique, ce qui signifie que la chaleur les traverse plus lentement. Par exemple, la conductivité thermiques des métaux est élevée ; elle est en revanche relativement basse pour les céramiques. Plus la chaleur met du temps à traverser ces matériaux, plus grande sera la quantité d’énergie générée et extraite.

Des scientifiques ont étudiés les mécanismes responsable d’un transfert ralenti de la chaleur au sein de certains matériaux – en particulier, les composés chimiques BiOCI et Bi2O2Se – ainsi que les certaines couches d’atomes qui, combinées sous forme de cristal, ralentissent la chaleur lorsqu’elle se déplace dans la structure d’un solide.

Le matériau ainsi synthétisé (un super-réseau nommé Bi4O4SeCl2) possède une conductivité thermique inférieure à celle de tout autre matériau de ce type, encore plus performant que ses composants – laissant à penser aux chercheurs qu’il pourrait être utilisé dans le cadre de technologies de transformation chaleur-énergétique.

Comment tester des matériaux

À mesure que la conception de matériaux pour stocker et libérer de la chaleur sur demande s’améliore (y compris en ce qui concerne les matériaux utilisés au sein de bâtiments), les chercheurs ont besoin de nouveaux outils pour mieux en mesurer les performances. Un groupe de scientifiques travaillant pour le National Renewable Energy Laboratory américain a mis au point un moyen plus simple et efficace d'évaluer leur efficacité.

Le stockage d’énergie thermique permet aux bâtiments de fonctionner comme des batteries géantes, à même d’emmagasiner de l’énergie thermique via de nouveaux matériaux, pour utilisation ultérieure. (Par exemple, une pompe à chaleur a besoin d’électricité pour créer et stocker de la chaleur, mais pourra la libérer plus tard sans avoir besoin d’électricité supplémentaire.) Là encore, stocker de la chaleur de manière efficace nécessite de trouver des matériaux adéquats.

Une possibilité intéressante pour les communautés, qui seraient en position de répartir leur demande en énergie tout au long de la journée – un aspect important dans un avenir fait de sources d’énergie renouvelables intermittentes (éolien, solaire…) qui dépendent de la météo et de l’environnement et ne fournissent pas toujours de l’électricité lorsque nous en avons besoin.

Pour optimiser le dispositif de stockage thermique dans les bâtiments, certains suggèrent d’emprunter une idée propre à la construction de batteries : le diagramme de Ragone, utilisé habituellement dans les batteries pour afficher le compromis entre la capacité de stockage en énergie d’un appareil et la vitesse à laquelle il peut la libérer. Cette approche permet de comparer plus facilement différents matériaux et appareils, et d’évaluer dans quelle mesure ils sont adaptés – menant à terme à une prise de décision plus éclairée quant aux appareils à utiliser.

Des études indiquent que cette nouvelle méthode pourrait faciliter la gestion du processus de réchauffement et refroidissement des bâtiments, tout en minimisant les coûts, pour un futur sous le signe de l’efficacité énergétique.


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