Utilisation de l'énergie solaire pour produire de la chaleur à haute température

La production de ciment, de métaux et de nombreux produits chimiques nécessite des températures extrêmement élevées, de plus de 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'aide d'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 neutre en carbone dans les décennies à venir, ces processus industriels continueront probablement à être alimentés par des combustibles fossiles dans un avenir proche. Ils sont considérés comme difficiles à décarboniser.

Des dcientifiques de l'ETH Zurich ont maintenant démontré, en laboratoire, un moyen de rendre ces industries indépendantes des combustibles fossiles. En utilisant le rayonnement solaire, ils et elles ont mis au point un dispositif capable de fournir de la chaleur aux températures élevées nécessaires aux processus de production. L'équipe dirigée par Emiliano Casati, scientifique au sein du groupe d'ingénierie des systèmes énergétiques et des processus, et Aldo Steinfeld, professeur de porteurs d'énergie renouvelable, a mis au point un piège thermique. Il se compose 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.

Pour ses expériences en laboratoire, l'équipe a utilisé une tige de quartz de 7,5 centimètres de diamètre et de 30 centimètres de long. Ils l'ont exposé à une lumière artificielle d'une intensité équivalente à 135 fois celle de la lumière du soleil, atteignant des températures allant jusqu'à 1050 degrés Celsius. Des études antérieures menées par d'autres chercheuses et chercheurs ont permis d'atteindre une température maximale de 170 degrés avec de tels pièges thermiques.

Les technologies de concentration solaire à grande échelle sont déjà établies à l'échelle industrielle pour la production d'énergie solaire, par exemple en Espagne, aux États-Unis et en Chine. Ces centrales fonctionnent généralement à des températures allant jusqu'à 600 degrés. À des températures plus élevées, la perte de chaleur par rayonnement augmente et réduit l'efficacité des centrales. L'un des principaux avantages du piège thermique mis au point par les scientifiques 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 Emiliano Casati. «Nous sommes donc convaincus que cette technologie permet le déploiement d'installations solaires à haute température». Toutefois, des analyses techniques et économiques détaillées sont encore en cours, ajoute-t-il. Ces analyses dépassent le cadre de l'étude expérimentale actuelle publiée dans la revue scientifique Device.

Emiliano Casati poursuit ses recherches afin d'optimiser le processus. Cette technologie pourrait un jour permettre d'utiliser l'énergie solaire non seulement pour produire de l'électricité, mais aussi pour décarboniser à grande échelle les industries à forte consommation d'énergie. «Pour lutter contre le changement climatique, nous devons décarboniser l'énergie en général», explique Emiliano Casati. «Les gens pensent souvent à l'énergie en termes d'électricité, mais nous utilisons en fait environ la moitié de notre énergie sous forme de chaleur.»