Dans un précédent communiqué, nous avons évoqué, une fois encore, les systèmes de production d’électricité qui sont entièrement compatibles avec la notion de « développement durable », à savoir les piles à combustibles et les piles bactériennes (entre autres dispositifs qui concernent aussi la production éolienne et photovoltaïque).
Nous avons aussi produit des communiqués relatifs aux travaux de cet éminent thermicien que fut le Pr Félix TROMBE.
Daniel DEPRIS - président-fondateur du CEPHES et expert de renommée international dans le domaine de l’énergie et des nuisances physiques de l’environnement – s’est, lui aussi, beaucoup intéressé aux problèmes thermiques, notamment à la production d’électricité par les procédés thermoélectriques. Ces procédés ont, en effet, l’avantage d’être « statiques ». ce qui signifie qu’ils n’impliquent pas de pièces en mouvement. D’où l’absence d’usure et de maintenance mais aussi de pertes imputables aux frottements (ces pertes sont importantes dans les systèmes impliquant des pièces mobiles, comme les génératrices et les alternateurs).
La thermoélectricité n’a rien de récent. Elle fut découverte en 1821 par le physicien allemand Jean-Thomas Seebeck (né à Reval en 1770, mort à Berlin en 1831).
On peut la mettre en évidence de façon très simple en utilisant deux baguettes faites de métaux différents, un seau de glace et un récipient contenant de l’eau bouillante. Si, par exemple, nous utilisons une baguette d’antimoine et une autre de bismuth et si nous les réunissons par leurs extrémités en les soudant ou en les pressant fortement, nous avons constitué un thermocouple. L’une des extrémités est alors plongée dans la glace tandis que l’autre extrémité est plongée dans l’eau distillée portée à ébullition. Ce qui revient à dire que l’extrémité froide est à 0°C alors que l’extrémité chaude est portée à 100°C.
A l’aide d’une simple boussole, on peut alors constater que le circuit formé par les baguettes est parcouru par un courant électrique. Dans ce montage, le courant est de l’ordre de 1 ampère. Dès les débuts de la radiodiffusion, la thermoélectricité fut envisagée pour alimenter les filaments des lampes de TSF mais le dispositif était coûteux pour l’époque et il fut évincé par les batteries au plomb puis par l’apparition des « alimentations secteur ».
Le principe de base est valable avec la quasi-totalité des métaux. Si d’excellents résultats sont obtenus avec le couple antimoine-bismuth, on peut utiliser d’autres couples. Il est toutefois indispensable de satisfaire à la double condition suivante :
Le circuit doit être hétérogène, autrement dit formé d’au moins deux métaux différents,
Les contacts (ou « soudures ») doivent être à des températures différentes.
On démontre le principe de la thermoélectricité par des formules mathématiques qui se résument à deux notions de base :
Deux métaux différents ne renferment pas le même nombre d’électrons libres (mobiles) dans un même volume.
L’agitation des électrons varie en même temps que la température.
Le pouvoir thermoélectrique des métaux disponible est donc variable. On calcule le pouvoir des couples en additionnant la somme des valeurs absolues par rapport au plomb (qui sert de point de comparaison) et à la température de 20°C. Ainsi, pour le bismuth industriel en fil, on aura une valeur de l’ordre de 97 et pour l’antimoine industriel en fil une valeur d’environ 6. Soit 97+ 6, ce qui nous donne 103 microvolts (1mV) par degré centigrade de différence de température pour un tel couple. Pour 10 degrés de différence, on aura 10 mV soit 1 V pour une centaine d’éléments montés en série. On pourra cependant obtenir des rendements beaucoup plus élevés avec d’autres couples Ainsi, si l’on associé le bismuth au fer, on obtient 97+17,50. On aura 97+502 avec le couple bismuth/tellure et même 97+807 avec le couple bismuth/sélénium. Dans ce dernier cas, on frise le millivolt par élément et par degré. Il convient cependant de considérer le problème sous l’angle économique et de sélectionner les couples dont la fabrication est aisée et pas trop coûteuse, même si leur rendement est moyen. Le couple bismuth/fer représente un assez bon compromis.
On nomme « série thermo-électrique de Mathiessen », le tableau établi au XIXe siècle pour calculer le pouvoir thermoélectrique d’un couple déterminé. Le voici, tel qu’il figurait dans un ouvrage daté de 1890.
Bismuth en fil du
commerce 97,0 Bismuth pur en
fil 89,0 Cobalt
22,0 Argent allemand
11,75 Mercure 0,418 Plomb 0 Etain 0,1 Cuivre du
commerce 0,1 Platine 0,9 Or 1,2 Antimoine pur en
fil 2,8 Argent pur
3,0 Zinc pur
3,7 Cuivre
galvanoplastique 3,8 Antimoine du
commerce en fil 6,0 Arsenic 13,56 Fer 17,50 Phosphore
rouge 29,70 Tellure 502,0 Sélénium 807,0
Ces principes furent mis en application pour la mesure des températures élevées (mesure par thermocouple) mais aussi, dès la fin du XIXe siècle, dans les piles thermoélectriques (dont les calorifères thermoélectriques dont nous avons déjà fait état à plusieurs reprises dans nos communiqués). On se sert aussi des thermocouples pour mesurer les valeurs électriques très faibles, notamment en association avec un micro-wattmètre. Un galvanomètre très sensible associé à une série de couples antimoine/bismuth permettait déjà, en 1930, de détecter des variations infimes de température à plus de dix kilomètres de distance. Ce dispositif était notamment utilisé sur les navires pour la détection des icebergs (avant l’apparition des radars).
C’est encore dans l’entre-deux-guerres (années 20 et 30) que des chercheurs imaginèrent d’utiliser le phénomène thermoélectrique pour produire de l’électricité en grande quantité. Nous mentionnerons, par exemple, les travaux des ingénieurs français Paul Boucherot et Georges Claude que Daniel Depris a maintes fois évoqué dans son cours d’histoire des sciences et technologies.
L’un de leurs projets, initialement conçu pour les « colonies », consistait à exploiter les différences de températures existant naturellement entre les zones exposées au soleil brûlant d’Afrique ou des Antilles et d’autres maintenues « à l’ombre ». Il fut notamment envisagé de créer des usines thermoélectriques en bordure de mer, avec la liaison chaude hors de l’eau et la liaison froide dans l’eau, à plusieurs mètres de profondeur. Un site expérimental fut aussi installé à même le sol sur une terrain de 60 mètres de long et 6 mètres de large. On y avait implanté 440.000 couples selon un montage « série-parallèle » (220 x 2.000) avec la jonction chaude au raz du sol et la jonction froide enfouie dans le sol (env. 10 à 12 cm sous la surface). Avec seulement 10°C de différence de température, cette unité thermoélectrique suffisait pour charger, pendant la journée, une série d’accumulateurs qui servait pour l’éclairage de nuit (avec des lampes à incandescence ayant un très mauvais rendement). Le problème, pour l’époque, résidait dans le coût des 5,5 tonnes de bismuth que le montage nécessitait (1).
Il n’empêche que le principe demeure extrêmement intéressant à exploiter, surtout depuis que le matériel « basse tension » s’est généralisé et que les ampoules à diodes (voir nos précédents communiqués) sont devenues une réalité. Il en résulte que l’on peut se contenter de 9 ou 12 volts (au lieu des 100 ou 220 V des années 30) cependant que la consommation des appareils courants et des dispositifs d’éclairage a été divisée par 10, 20 ou 40 (selon le matériel considéré). Aujourd’hui, la petite centrale imaginée par MM. Boucherot et Claude pourrait alimenter toute une pro-priété en courant électrique, via des accumulateurs. On peut même concevoir des installations plus modestes (moins de thermocouples et moins d’espace occupé) pour fournir de l’électricité à des habitations isolées, dans des régions chaudes ou, à l’inverse, dans des régions froides.
C’est ce qui a amené Daniel DEPRIS a concevoir le « mur thermoélectrique » (MUTHEL), un mur constitué d’éléments préfabriqués contenant des thermocouples montés en série et en parallèle de manière à obtenir des tensions normalisées de 3, 6 et 12 volts. Ces éléments peuvent être montés et raccordés aisément pour constituer des murs ayant une face chaude et une face froide.
(1) Une telle quantité de bismuth coûtait 1,45 millions de francs français (de l’époque). L’antimoine était moins cher (env. 50.000 FF pour 4 tonnes) mais le coût total des baguettes métalliques représentait un million et demi de francs. Il faut à présent reconsidérer ces paramètres en fonction des moyens modernes de production du bismuth en fil et en baguettes. Les principaux producteurs de bismuth sont le Pérou et la Bolivie où on le trouve à l’état de sulfure, généralement associé à d’autres sulfures métalliques.
Ainsi, dans une région chaude, les faces chaudes (extérieures) peuvent être exposées à des températures dépassant les 30°C tandis que les faces froides (intérieures) seront exposées à des températures nettement moins élevées (en moyenne 10 à 20°C de différence). Dans les régions froides, la face froide sera à l’extérieur et la face chaude à l’intérieur avec des différences de température pouvant dépasser les 50°C. L’énergie électrique produite par de telles murs peut être très importante et, en tous cas, suffisante pour satisfaire les besoins courants d’une habitation (hormis le chauffage ou la climatisation). Ainsi, si nous considérons le couple bismuth/fer qui génère une différence de potentiel d’environ 115 microvolts par degré (pour 20°C de référence), nous voyons qu’un élément de ce type pourra produire près d’un ampère sous 2,3 mV avec une différence de température de 20°C. Mille quatre cents de ces éléments vont donc suffire pour produire 1 A sous 3,2 volts. Et l’on peut aisément noyer 1.400 thermo-couples dans un panneau d’environ 2,40m x 2,40 (voir même un peu plus petit). Quatre panneaux de ce type suffiront donc pour produire 1A de courant sous 12V et, en cas de nécessité, un ou deux panneaux supplémentaires permettront de réguler la tension lorsque l’écart de température diminue. On pourra évidemment disposer d’une intensité de courant plus élevée en montant des séries de panneaux en parallèle. Néanmoins, avec 1A, on peut aujourd’hui éclairer toute une habitation tout en écoutant la radio (2).
Dans les régions très froides, avec des différences de température de plus de 20°C, le rendement des murs thermoélectriques devient très élevé. Le même panneau standardisé peut générer une tension de 6 V ou plus. On peut, en outre, conférer à ces murs des propriétés très intéressantes sur le plan de l’isolation thermique (3).
Les murs thermoélectriques présentent aussi l’énorme avantage (propre à tous les systèmes thermoélectriques) de ne nécessiter aucun entretien particulier. Noyés dans la masse du mur, les thermocouples sont des éléments statiques qui ne s’usent pas et n’exigent pas de maintenance (4). En outre, les éléments thermoélectriques peuvent être complétés par des panneaux photovoltaïques ou par une éolienne. On notera cependant que, dans les régions froides, les murs thermoélectriques peuvent fonctionner jour et nuit et par tous les temps (ce qui n’est pas le cas pour les éoliennes et les panneaux photovoltaïques).
(2) La puissance disponible sous 12 volts est de 12 watts avec 1 ampère de courant. Or, les ampoules à diodes consomment environ 1 watt tandis qu’un petit récepteur de radio moderne n’en consomme guère plus. On peut donc alimenter 10 ampoules et une radio avec 1 ampère. Certains petits téléviseurs consomment environ 10 watts.
(3) Le principe de fabrication de ces murs réside dans une technique de moulage associée à des éléments assurant la rigidité des panneaux. Les couples sont noyés dans la masse de deux panneaux parallèles avec un interstice jouant le rôle d’isolant (comme l’air d’une bouteille thermos). Les connections électriques sont situées à la base ou au sommet des panneaux. Les panneaux s’emboîtent dans des montants rigides intégrés à la structure du bâtiment. Des écrans spéciaux peuvent êtres incorporés aux panneaux pour réfléchir la chaleur vers l’extérieur ou l’intérieur (voir les travaux du Pr Trombe sur les « corps noirs »). Il est aussi possible d’intégrer des écrans de protection contre les pollutions électroma-gnétiques provenant de l’extérieur.
(4) Il va cependant sans dire qu’on ne plante pas de clous (ou vis, ou crampons ou autres accessoires de ce genre) dans de tels murs. La seule précaution consiste à éviter les agressions physiques qui pourraient endommager les couples et les liaisons électriques qui les relient entre eux.
Enfin, on pourrait envisager de développer et commercialiser des versions modernes des anciens calorifères thermoélectriques (comme la pile de Clamond ou la pile Chaudron, voir nos précédents communiqués). On peut imaginer des calorifères au bois, au charbon, au pétrole, au mazout ou au gaz qui transformeraient une partie de la chaleur en électricité à l’aide de thermocouples judicieusement disposés. Des petits calorifères de ce genre seraient très pratiques pour les caravanes, mobiles-homes, maisons de campagne, refuges de montagne, etc.
Ces idées (et d’autres du même genre) ont été développés, lors de conférences, par le président du CEPHES mais, à ce jour, elles n’ont jamais retenu l’attention des industriels. Car, comme nous l’avons indiqué à propos des travaux du Pr Trombe, les produits simples - qui ne nécessitent pas d’entretien, de services de réparation et de pièces de rechange – n’intéressent pas les grands lobbies, ceux-là même qui ont les moyens de développer et de fabriquer de tels produits à grande échelle. Les actionnaires des grands groupes industriels se moquent de l’écologie et du dévelop-pement durable comme de leur premier pampers. Ils ne s’intéressent qu’aux produits qui génèrent beaucoup de valeur ajoutée et qui ne sont pas durables. S’ils justifient un « service après vente » c’est encore mieux pour l’économie dite « de marché ».
La « maison autonome » sur le plan énergétique n’est pas une vue de l’esprit pour écologistes chevelus et barbus. Elle pourrait être réalisée sans grandes difficultés dès aujourd’hui s’il n’existait pas de nombreux freins industriels, commerciaux et institutionnels. Voici le plan en quatre étapes proposé par D. Depris et applicable dès à présent.
La première étape consiste à rationaliser au mieux la consommation d’électricité en utilisant des appareils ayant un fort coefficient d’efficacité (rapport rendement-consommation). En second lieu, il convient de revoir le concept de base de l’alimentation électrique des habitations en abandonnant le 220/380V au profit des basses tensions (comme le 12 volts), du moins pour l’éclairage (5) et pour tous les appareils courants (radio, TV, chaîne hi-fi, ordinateurs,…). Même les réfrigérateurs peuvent, aujourd’hui, être alimentés sous 12 ou 24 V. Cela implique de reconsidérer les systèmes de câblages afin d’éviter les pertes inutiles par résistance (résistance ohmique du cuivre). La troisième étape réside dans l’installation de dispositifs d’autoproduction : chauffe-eau solaire, panneaux photovoltaïques, éolienne, systèmes thermoélectriques, pile à combustible domestique,…). Enfin, une quatrième et ultime étape sera franchie lorsque les matériaux supra-conducteurs seront entrés dans la conception des appareils destinés au grand public et des câbles courants (voir ce qui a déjà été dit à ce propos dans nos précédents communiqués).
(5) Les ampoules à diodes « Led » (ne pas confondre avec les « ampoules à iode ») peuvent fonctionner avec des tensions très basses et en courant continu. Il est même beaucoup plus facile de les faire fonctionner sous 3, 6 , 9 ou 12 V qu’avec des tensions alternatives élevées (comme le 220 V). Leur durée est aussi 10 à 20 fois plus grande que les ampoules à incandescence.
Les dernières générations de « led’s blanches » produisent une lumière moins froide, moins bleutée que les premières séries. Leur efficacité lumineuse (exprimée en lumens/Watt) est encore un peu faible mais leur faible consommation permet de les répartir en plusieurs points pour réaliser des éclairages d’ambiance très agréables mais aussi pour les éclairages commerciaux (vitrines, enseignes, salles de spectacle,…)
On peut dire qu’une habitation « moyenne » qui consomme aujourd’hui 5 à 10 kW « en pointe » pourrait parfaitement se satisfaire de 2 à 3 kW dans un premier temps et même, à terme, de moins de mille watts (- de 1 kW). Il suffirait, pour cela de prendre en considération les travaux qui ont été menés sur le plan de la thermicité (comme ceux du Pr Trombe) et des technologies électriques de pointe. Il est, en tous cas, parfaitement possible de réduire les consommations « domestiques » (résiden-tielles) et tertiaires dans des proportions importantes (20 à 50%) et dans les mois à venir.
Un tel programme énergétique permettrait, non seulement de réduire les factures des consommateurs mais aussi et surtout de réduire les consommations des énergies primaires « non renouvelables ». N’oublions jamais que le rendement d’une centrale électrique thermique « conventionnelle » (à flamme ou nucléaire) est inférieure à 40%. Ce qui revient à dire que ces centrales « gaspillent » plus de 60% des énergies primaires qu’elles consomment. Une bonne partie de cette masse énergétique perdue est constituée de chaleur qui se répand dans l’atmosphère et contribue à son réchauffement. Mais si l’on considère, en sur, les pertes dues au transport et à la distribution de l’électricité (environ 8 à 10% de l’électricité produite), le bilan final est encore plus mauvais et tombe sous la barre des 30%. Enfin, il faut considérer les pertes au niveau des consommateurs et l’on arrive à environ 20% d’énergie vérita-blement « utile » ! ! !
En résumé, l’énergie primaire (charbon, fuel, gaz, uranium,…) utilisée par les centrales électriques « classiques » ne sera utilisée utilement qu’à hauteur de 20% soit… 80 % de pertes ! ! !
A titre de comparaison, une pile à combustible pourra être rentabilisée à plus de 80% et elle pourra alimenter tout un village (ou tout un quartier) sans recourir à un grand réseau de transport (donc avec très peu de pertes pour la distribution qui pourra se faire avec des câbles souterrains de faible longueur et à faibles pertes). Et en prime, 0% de pollution !
Les deux options donnent donc des résultats diamétralement opposés.
Pour en terminer avec cet aperçu des possibilités de la thermoélectricité, nous mentionnerons les travaux de sir William Thomson (1824-1907), ce « lord Kelvin » qui permit une meilleure compréhension de certains phénomènes fondamentaux (6). Nous citerons aussi Jean-Charles Peltier (Ham 1785 – Paris 1845), ce physicien français qui inventa l’électromètre et qui donna son nom aux effets thermiques produits par le passage d’un courant dans un circuit formé de deux métaux différents (effet inverse de celui qui fut mis en évidence par Seebeck).
On utilise l’effet Peltier pour la réfrigération. L’une des soudures extrait des calories qui sont transportée par le circuit vers l’autre soudure qui les évacue dans l’air ambiant. Les réfrigérateurs à effet Peltier ont cependant un rendement très faible et il faut choisir des métaux ayant une faible conductivité thermique que l’on isole correctement. Il faut aussi réduire au mieux les pertes joule. Toutefois, si l’on remplace l’un des métaux par un semi-conducteur, la force électromotrice qui apparaît est nettement plus grande. On utilise classiquement le tellure de bismuth dont le pouvoir thermoélectrique est très élevé, la résistance électrique faible et la conductivité thermique également très faible. Le bloc réfrigérant se présente comme une sorte de petit mur thermoélectrique, avec un nombre important d’éléments montés en série, soudures chaudes d’un côté, soudures froides de l’autre. La face froide est placée au contact des produits à refroidir. Les calories sont évacuées par circulation d’eau ou par ventilation.
Le réfrigérateur Peltier est totalement silencieux, d’un encombrement réduit et ne comporte aucune pièce en mouvement. Sa durée de vie est illimitée, son entretien est nul et il ne nécessite aucun gaz. Sa consommation est toutefois plus élevée que celle d’un réfrigérateur à condensation ou à absorption et il doit être alimenté en courant continu. Fréquemment utilisé dans les laboratoires, ce type de réfrigérateur n’est pas intéressant sur le plan énergétique, du moins pour l’instant.
Pour plus de renseignements à propos du présent communiqué, on peut consulter la présidence européenne du CEPHES, soit par écrit, soit par téléphone (au 0032 – (0)71.33.10.41). Les courriers électroniques ne parviennent pas directement à la présidence.
(6) Comme Peltier et Seebeck, Thomson a donné son nom à un effet physique. Ce fut d’abord l’effet de refroidissement que subit un gaz lorsqu’il se détend dans le vide. Un autre « effet Thomson » désigne cependant la différence de potentiel qui existe entre deux points d’un conducteur métallique qui se trouvent élevés à des températures différentes. C’est celui-là qui intéresse les spécialistes de la thermoélectricité. Il complète l’effet Peltier et fut lui-même complété par les observations de Seebeck. En fait, comme l’a proposé Daniel Depris, on pourrait parler d’effet « PTS » (Peltier-Thomson-Seebeck) pour qualifier ces trois phénomènes qui se rapportent à une même caractéristique physique.
Né à Belfast, William Thomson a, par ailleurs, décrit un effet dit « effet Kelvin » qui est relatif à la répartition inégale des courants alternatifs dans les conducteurs massifs avec augmentation de la densité de courant vers la surface (effet de peau ou « skin effect »). On a donné au degré de température (degré Kelvin) prenant en compte le zéro absolu. La température de fusion de la glace (0°C) vaut 273,15 degrés Kelvin (273,15°K).