L’énergie thermophotovoltaïque est durable, mais est-elle moins coûteuse que l’énergie conventionnelle ? Une analyse économique a la réponse.
Les dispositifs thermophotovoltaïques (TPV) émergent comme une approche innovante et durable pour convertir la chaleur en électricité. Les TPV utilisent la chaleur provenant d’émetteurs thermiques pour générer de l’électricité dans des systèmes photovoltaïques spécialement conçus, produisant de l’énergie silencieusement et sans pièces mobiles.
Étant donné que les TPV sont considérés comme un système rentable pour la production d’énergie, des chercheurs de l’Université de l’État de l’Iowa et de l’Université de l’Iowa ont réalisé une analyse techno-économique pour déterminer la faisabilité de l’intégration des TPV dans des systèmes d’énergie solaire.
Panneaux solaires. Image utilisée avec la permission de Adobe Stock
Qu’est-ce que la thermophotovoltaïque ?
Les TPV convertissent la chaleur en électricité en utilisant un émetteur thermique comme source de chaleur et une cellule photovoltaïque adaptée. Les TPV ont des densités de puissance élevées dépassant 2,5 W/cm2 et peuvent fonctionner à des températures élevées. Ils ont également des coûts de maintenance faibles en raison de l’absence de pièces mobiles. Les TPV peuvent atteindre leur pleine puissance plus rapidement que les turbines. Ils sont adaptés aux opérations de stockage d’énergie de longue durée.
L’émetteur thermique peut être solaire, nucléaire, électrique ou chimique, et les sources de chaleur résiduelles peuvent être récupérées. Lorsque la chaleur se dirige vers le TPV, un absorbeur/émetteur à l’intérieur de l’appareil convertit le rayonnement. L’absorbeur/émetteur agit comme un filtre passe-bande infrarouge pour absorber les photons infrarouges de la source de chaleur et émet des photons infrarouges filtrés qui correspondent à la bande interdite du PV. Cela permet une conversion d’énergie efficace en prenant le spectre large bande de photons du corps noir et en les accordant à la fréquence du PV.
L’absorbeur/émetteur fonctionne également comme un protecteur de chaleur pour la cellule PV en bloquant les photons sub-bande interdite avec un réflecteur de surface arrière. Les absorbeurs/émetteurs peuvent également utiliser un filtre de surface avant pour mieux recycler les photons et améliorer l’efficacité de conversion de puissance des TPV. Le fait de réfléchir les photons sub-bande interdite loin de la cellule PV empêche celle-ci de surchauffer et améliore l’efficacité spectrale et énergétique.
Comment fonctionne la thermophotovoltaïque. Image utilisée avec la permission de Mosulpuri et al.
L’absorbeur/émetteur fonctionne également comme un protecteur de chaleur pour la cellule PV en bloquant les photons sub-bande interdite avec un réflecteur de surface arrière (BSR). Les absorbeurs/émetteurs peuvent également utiliser un filtre de surface avant pour mieux recycler les photons et améliorer l’efficacité de conversion de puissance des TPV. Le fait de réfléchir les photons sub-bande interdite loin de la cellule PV empêche celle-ci de surchauffer et améliore l’efficacité spectrale et énergétique.
Avantages des thermophotovoltaïques
Les TPV suscitent un intérêt croissant dans le stockage d’énergie, la récupération des déchets d’énergie, les programmes spatiaux et les applications de chaleur et d’électricité combinées (CHP). Parmi leurs principaux avantages figurent le fonctionnement silencieux, l’absence de pièces mobiles et la capacité à utiliser diverses sources de chaleur. Leur densité de puissance élevée et leur coût plus bas les rendent attrayants pour les dispositifs de stockage d’énergie thermique et de réseau énergétique. Pour les applications CHP, les TPV peuvent fournir à la fois électricité et chaleur.
Les dispositifs TPV sont comparés aux cycles de puissance utilisant des turbines, une méthode de génération d’énergie répandue. Cependant, les TPV peuvent atteindre leur pleine puissance en quelques secondes, tandis que les turbines peuvent prendre de 10 minutes à une heure. Les TPV peuvent également fonctionner à des températures plus élevées car il s’agit d’un dispositif sans contact. En revanche, les contraintes matérielles des turbines limitent la température de fonctionnement. Les turbines de cycle Brayton peuvent atteindre une température de fonctionnement maximale de 1500°C et les turbines de cycle Rankine peuvent atteindre 700°C, mais les TPV peuvent fonctionner à 1700°C avec une efficacité plus élevée―40 % pour les TPV contre 38 % pour les turbines de cycle Brayton et 23 % pour les turbines de cycle Rankine.
Analyse Techno-Économique pour l’énergie solaire et le stockage d’énergie
L’étude des chercheurs de l’Iowa a réalisé une analyse techno-économique utilisant des dispositifs TPV dans un système de conversion et de stockage d’énergie solaire. L’étude a impliqué une méthode d’optimisation qui a nivelé le coût de l’énergie consommée (LCOE) et le coût nivelé de l’électricité (LCOEel) à travers quatre scénarios différents à Boone, dans l’Iowa.
L’étude a identifié les facteurs affectant le coût total de possession (TCO) des TPV. Cela comprenait les taux d’inflation, les prix du gaz naturel, les coûts d’investissement et la durée de vie du système. Les quatre scénarios avaient des niveaux de coût d’investissement et des taux d’inflation combustible/électricité variables qui ont permis de vérifier ces constats.
L’étude a montré une légère réduction du LCOE de $0,038 et du LCOEel de $0,128 par kilowattheure par rapport aux estimations initiales. Plusieurs variations pourraient influencer les coûts dans le temps. Bien que l’étude ait montré que les TPV possèdent un potentiel économique, le LCOEel est supérieur au prix moyen de l’électricité, ce qui signifie qu’il devra diminuer pour une faisabilité commerciale. Cependant, l’étude a également identifié que l’utilisation des systèmes de gestion de l’énergie avec des TPV pourrait réduire les émissions de CO2 jusqu’à 12 % grâce à une dépendance moindre au gaz naturel pour le chauffage et l’électricité du réseau.