L’énergie solaire pour atteindre des températures très élevées

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L’élément essentiel du piège thermique est un cylindre de quartz. Lors des
L’élément essentiel du piège thermique est un cylindre de quartz. Lors des expériences, il a atteint une température de 1050 degrés Celsius et s’est embrasé à cette chaleur. (Image : ETH Zurich / Emiliano Casati)

Au lieu de brûler du charbon ou du pétrole pour fabriquer du ciment ou de l’acier, on pourrait à l’avenir utiliser l’énergie solaire à cet effet. Des chercheurs de l’ETH Zurich ont développé un piège thermique qui absorbe le rayonnement solaire et dégage de la chaleur. Il atteint une température de plus de mille degrés.

La production de ciment, de métaux et de nombreux produits chimiques nécessite des températures très élevées, supérieures à mille degrés Celsius. Pour atteindre cette chaleur, on brûle actuellement le plus souvent des combustibles fossiles : charbon ou gaz naturel, ce qui entraîne l’émission de grandes quantités de gaz à effet de serre. Le chauffage à l’électricité renouvelable n’est pas une alternative, car il serait inefficace à ces températures élevées. Bien qu’une grande partie de notre économie et de notre société doive devenir climatiquement neutre au cours des prochaines décennies, ces processus industriels continueront probablement à fonctionner avec des combustibles fossiles dans un avenir proche. Ils sont considérés comme difficilement décarbonisables.

Des chercheurs de l’ETH Zurich montrent aujourd’hui un moyen de rendre ces industries indépendantes des combustibles fossiles : L’équipe d’Emiliano Casati, chercheur au sein du groupe de technologie de l’énergie et des systèmes de processus, et d’Aldo Steinfeld, professeur de sources d’énergie renouvelables, a développé un piège thermique. Il génère à l’aide du rayonnement solaire les températures élevées nécessaires aux processus de production et diffuse également cette chaleur. L’élément essentiel est une barre de quartz qui, grâce à ses propriétés optiques, peut absorber efficacement la lumière du soleil et la transformer en chaleur.

Dans les expériences de laboratoire, cette barre de quartz avait un diamètre de 7,5 centimètres et une longueur de 30 centimètres. Les chercheurs l’ont éclairé avec une lumière artificielle dont l’intensité correspondait à 135 fois la lumière du soleil concentrée, atteignant ainsi des températures allant jusqu’à 1050 degrés Celsius. Des études antérieures menées par d’autres chercheurs ont atteint un maximum de 170 degrés avec de tels pièges thermiques.

Il existe certes déjà des technologies permettant de concentrer l’énergie solaire. En Espagne, aux États-Unis et en Chine notamment, on trouve de grandes centrales solaires à concentration pour la production d’électricité. Ces installations fonctionnent généralement à des températures allant jusqu’à 600 degrés. À des températures plus élevées, la perte de chaleur par rayonnement augmente et réduirait l’efficacité des installations. L’un des principaux avantages du piège thermique des chercheurs est qu’il permet de capter la chaleur et de réduire au maximum le rayonnement.

Installations solaires à haute température

"Notre approche améliore considérablement l’efficacité de l’absorption de la lumière solaire", explique Casati. "Nous sommes donc confiants dans le fait que cette technologie permettra de développer des installations solaires à haute température". Des analyses technico-économiques détaillées sont toutefois encore à venir, précise-t-il. Elles auraient dépassé le cadre de l’étude expérimentale actuelle, que les chercheurs ont publiée dans la revue spécialisée Device.

Casati poursuit ses recherches à l’ETH Zurich afin d’optimiser la méthode. Un jour, cette technologie pourrait permettre d’utiliser l’énergie solaire non seulement pour la production d’électricité, mais aussi pour la décarbonisation à grande échelle de secteurs industriels gourmands en énergie. "Pour lutter contre le changement climatique, nous devons décarboniser l’énergie en général", explique Casati. "Souvent, quand on parle d’énergie, on ne pense qu’à l’électricité, mais en réalité, nous consommons environ la moitié de notre énergie sous forme de chaleur".

Référence bibliographique

Casati E, Allgoewer L, Steinfeld A : Solar thermal trapping at 1,000°C and above. Device, 15 mai 2024, doi : 10.1016/j.device.2024.100399

Fabio Bergamin