Les matériaux thermoélectriques permettent une conversion directe de la chaleur en électricité, alors que cette énergie, produite en grandes quantités par exemple dans les moteurs thermiques, est rarement récupérée. Cependant, les matériaux thermoélectriques actuels sont à base d’éléments rares ou toxiques.
Les matériaux thermoélectriques (TE) font l’objet de recherches depuis plusieurs décennies. Des matériaux TE plus performants font aujourd’hui leur apparition sous l’appellation de matériaux thermoélectriques de deuxième génération (GEN2 TE) : siliciures1 ou demi-Heusler2. Ces matériaux sont peu coûteux, car à base d’éléments minéraux abondants sur Terre et respectueux de l’environnement. Même si le rendement de conversion énergétique est faible, tout bénéfice dans le processus de récupération de l’énergie est bon à prendre, lorsque la chaleur est perdue quoi qu’il arrive, comme c’est le cas dans les moteurs thermiques ou des industries à haute intensité énergétique. Ainsi, les matériaux GEN2 TE peuvent améliorer l’efficacité énergétique dans de larges pans de l’industrie Européenne et de la société en convertissant la chaleur perdue en électricité.
La plupart des matériaux thermoélectriques actuels sont à base d’éléments rares ou toxiques, ce qui exclut leur déploiement à grande échelle. Des matériaux plus durables ont fait l’objet de recherches poussées depuis des années, mais pour l’essentiel à l’échelle du laboratoire. De plus, leur niveau de performances n’a pas permis jusqu’à présent de justifier des investissements importants de la part de l’industrie en vue d’une production et d’une commercialisation à grande échelle. Pour la première fois, le projet INTEGRAL rassemble des experts de haut niveau autour de trois chaînes de valeur où des générateurs thermoélectriques sont susceptibles de satisfaire une attente significative du marché : les automobiles, les véhicules de transport et les capteurs autonomes dans les industries à haute intensité énergétique, par exemple la métallurgie ou la verrerie. L’originalité du projet est d’impliquer à parts égales des producteurs et des transformateurs de matériaux thermoélectriques, de même que leurs utilisateurs et clients finals, couvrant ainsi l’intégralité de la chaîne de valeur.
Le but du projet INTEGRAL est d’industrialiser la technologie des matériaux GEN2 TE à l’aide de lignes-pilotes européennes existantes et de PME en croissance, de manière à satisfaire les besoins de marchés thermoélectriques de masse (automobile, véhicules de transport longue distance, capteurs autonomes et récupération d’énergie dans l’industrie). Le projet INTEGRAL est unique dans le sens où il rassemble autour d’une chaîne de valeur complète les entreprises majeures (y compris des PME et des jeunes pousses) dans le développement de matériaux GEN2 TE et des centres de recherche de pointe.
Un développement intégré de matériaux thermoélectriques basé sur les nano-technologies
1 Les siliciures sont des semi-conducteurs à base de silicium ou leurs propriétés électriques spécifiques leur sont conférées par l’ajout de petites quantités d’autres éléments tels que le Germanium, le Magnésium, le Manganèse ou l’Étain.
Le projet INTEGRAL permettra à l’industrie un bond en avant en direction de la fabrication avancée et de la commercialisation de systèmes intégrant des matériaux thermoélectriques fonctionnels à base de nano-technologies. En outre, les procédés de fabrication à grande échelle qui seront développés pour la production de matériaux nano-structurés dans le projet INTEGRAL vont explorer une gamme élargie d’applications en dehors du secteur thermoélectrique, en particulier de celles où une adaptation sur mesures des propriétés thermiques ou électriques de matériaux frittés est nécessaire. Enfin, un transfert de technologies sera opéré des activités de recherche et développement vers les lignes-pilotes, en vue de la commercialisation d’une nouvelle génération de matériaux avancés, dans une optique d’« économie circulaire ».
2 Les alliages de Heusler sont des composés intermétalliques présentant des propriétés ferromagnétiques originales. Les alliages demi-Heusler sont des semi-conducteurs avec, en particulier, des propriétés thermoélectriques intéressantes.
Trois lignes-pilotes ou Plateformes Technologiques majeures en Europe (en France, en Allemagne et aux Pays-Bas)3 viendront soutenir les acteurs-clés industriels dans l’amélioration des performances des matériaux et des paramètres de fabrication, pour leur permettre d’amener à l’échelle industrielle la production de matériaux thermoélectriques. Le projet INTEGRAL a tenu sa réunion de lancement en décembre 2016 sur le site de la Plateforme Technologique Poudr’Innov 2.0 du CEA à Grenoble.
3 Poudr’Innov 2.0 au CEA Grenoble, France; Isabellenhütte, Dillenburg, Allemagne; RGS, Broek op Langedeijk, Pays-Bas.
La plate-forme Métallurgie des poudres POUDR'INNOV 2.0 développe des composants à haute valeur ajoutée à partir de poudres métalliques, céramiques, semi-conductrices ou magnétiques. Leurs débouchés : énergie, connectique, éclairage, électronique, mécanique, santé, chimie fine, etc. © CEA
La Commission Européenne soutient financièrement INTEGRAL à hauteur de 7 M € sur un budget total de 8,5 M €. Ce projet Innovation Action réunit 13 partenaires de 8 pays sous la coordination du CEA. Tous les partenaires sont totalement engagés pour faire d’INTEGRAL un jalon décisif dans la production industrielle et l’utilisation durable de générateurs thermoélectriques pour la récupération d’énergie (Convention de subvention n°720878)