Illustration du piège thermique expérimental. Il se compose d'une tige de quartz (à l'intérieur) et d'un absorbeur en céramique (à l'extérieur). Le rayonnement solaire pénètre par l'avant, la chaleur est générée à l'arrière. Crédit : Casati E et al. Appareil 2024, édité
À l'avenir, l'énergie solaire pourrait être utilisée pour produire du ciment ou de l'acier, jeAu lieu de brûler du charbon ou du pétrole à cette fin. Des chercheurs de l'ETH Zurich ont développé un piège thermique capable d'absorber la lumière solaire concentrée et de diffuser une chaleur à plus de mille degrés. Celsius.
- Un nouveau piège thermique utilise la lumière du soleil pour atteindre une température supérieure à mille degrés Celsius.
- La nouvelle technologie minimise les pertes de chaleur, permettant de générer efficacement cette température élevée
- Cette approche pourrait contribuer à fournir des températures élevées aux installations industrielles et ainsi à rendre ces industries neutres en carbone.
Processus thermiques industriels
La production de ciment, de métaux et de nombreux produits chimiques nécessite des températures extrêmement élevées, supérieures à mille degrés Celsius. Actuellement, cette chaleur est généralement obtenue par la combustion de combustibles fossiles : charbon ou gaz naturel, qui émettent de grandes quantités de gaz à effet de serre. Le chauffage à l’électricité renouvelable n’est pas une alternative, car cela serait inefficace à ces températures élevées. Même si une grande partie de notre économie et de notre société devront devenir neutres en carbone dans les décennies à venir, ces processus industriels continueront probablement d’être alimentés par des combustibles fossiles dans un avenir proche. Ils sont considérés comme difficiles à décarboner.
Percée dans la technologie solaire thermique
Des scientifiques de l'ETH Zurich ont démontré en laboratoire un moyen de rendre ces industries indépendantes des combustibles fossiles. En utilisant le rayonnement solaire, ils ont conçu un appareil capable de fournir de la chaleur aux températures élevées nécessaires aux processus de production. L'équipe dirigée par Emiliano Casati, scientifique du groupe d'ingénierie des systèmes énergétiques et des procédés, et Aldo Steinfeld, professeur de vecteurs d'énergie renouvelable, a développé un piège thermique. Il est constitué d'une tige de quartz couplée à un absorbeur en céramique qui, grâce à ses propriétés optiques, peut absorber efficacement la lumière du soleil et la convertir en chaleur.
Dans leurs expériences en laboratoire, l’équipe a utilisé une tige de quartz mesurant 7,5 centimètres de diamètre et 30 centimètres de longueur. Ils l’ont exposé à une lumière artificielle d’une intensité équivalente à 135 fois celle du soleil, atteignant des températures allant jusqu’à 1 050 degrés Celsius. Des études antérieures menées par d'autres chercheurs ont atteint un maximum de 170 degrés avec de tels pièges thermiques.
Le composant principal du piège thermique est un cylindre en quartz. Lors des expériences, il a atteint une température de 1 050 degrés Celsius et a brillé à cette chaleur. Crédit: ETH Zurich / Emiliano Casati
Des technologies de concentration solaire à grande échelle sont déjà implantées à l’échelle industrielle pour la production d’énergie solaire, par exemple en Espagne, aux États-Unis et en Chine. Ces usines fonctionnent généralement jusqu'à 600 degrés. À des températures plus élevées, les pertes de chaleur par rayonnement augmentent et réduisent l'efficacité des installations. L’un des principaux avantages du piège thermique développé par les chercheurs de l’ETH Zurich est qu’il minimise les pertes de chaleur par rayonnement.
Centrales solaires à haute température
Notre approche améliore considérablement l'efficacité de l'absorption solaire », explique Casati. « Nous sommes donc convaincus que cette technologie soutient le déploiement de centrales solaires à haute température. » Toutefois, des analyses techniques et économiques détaillées sont toujours en attente, dit-il. Une telle analyse dépasse le cadre de l’étude expérimentale actuelle, que les chercheurs ont publiée dans la revue scientifique Appareil.
Casati poursuit ses recherches pour optimiser le procédé. Cette technologie pourrait un jour permettre d’utiliser l’énergie solaire non seulement pour produire de l’électricité, mais aussi pour décarboner à grande échelle les industries à forte intensité énergétique. « Pour lutter contre le changement climatique, nous devons décarboniser l'énergie en général », déclare Casati. « Les gens pensent souvent à l’énergie en termes d’électricité, mais nous consommons en réalité environ la moitié de notre énergie sous forme de chaleur. »
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir L'énergie solaire brise la barrière des 1 000 °C pour le chauffage industriel.
