CE05 - Une énergie durable, propre, sûre et efficace

Antimoniures thermoélectriques pour applications hautes températures – HIGHTHERM

Matériaux thermoélectriques pour applications haute température

Ce projet se focalise sur des matériaux thermoélectriques pouvant être utilisés à de très hautes températures, entre 600°C et 1000°C voire plus haut afin de convertir les chaleurs perdues en énergie électrique. Cette gamme de températures vise les industries du verre, des aciers ou encore des céramiques qui dépensent - et perdent - beaucoup d'énergie pour leur procédés de fabrications. A de telles températures, les matériaux classiques et bien connus ne peuvent évidement pas être utilisés.

Stabilité et performance des antimoniures de terre-rares

Les enjeux et objectifs du projet sont de montrer que des antimoniures de terre rares ont des performances thermoélectriques très élevées à très hautes températures et que ces matériaux sont suffisamment stables à ces températures (1000°C et au dessus) pour pouvoir être utilisés pour la fabrication de jambes thermoélectriques de type p, qui seraient alors couplées à des jambes de types n faite de tellurure de lanthane (matériaux connus et développé) pour réaliser un module thermoélectrique.

Les résultats préliminaires (obtenus lors d'un précédent projet) devront d'abord être répliqués (avec nos techniques de synthèse actuelles). Ensuite seront optimisés les compositions en alliant calculs DFT, synthèses «rapides«, mise en forme standardisée et mesures des propriétés de transport. La (ou les) meilleure(s) composés feront l'objet de synthèse à plus grande échelle, d'étude de vieillissement accéléré afin d'être «qualifiés«. Ensuite viendront des études de fabrication de jambes thermoélectriques par pressage direct des différents matériaux nécessaires (barrière de diffusion, métallisation...) afin de finaliser notre projet par la proposition d'un démonstrateur qui pourra être testé dans des conditions réelles.

N/A

N/A

N/A

Le projet HIGHTHERM a pour but de développer des matériaux susceptibles d’être utilisés à des températures supérieures à 1000°C, afin de récupérer les chaleurs perdues lors de procédés industriels générant de grande quantité de chaleur (métallurgie, industrie du verre ou des céramiques). Les matériaux visés cristallisent dans une type structural cubique, ils sont pour le type n, La3Te4-x dont les propriétés thermoélectriques sont bien connues et très bonnes (ZT supérieure à 1 à 1000°C) et pour le type p, les composés du type RE4Sb3 (RE=Terre rare). Ces derniers sont au cœur de ce projet, ils feront l’objet d’une étude complète et leur optimisation sera facilitée par l’utilisation d’outils de modélisation. Des résultats préliminaires montrent que des performances thermoélectriques très prometteuses ont déjà été obtenues sur des compositions non optimisées et que des progrès non négligeables sont envisageables.
Ces deux matériaux seront fabriqués par des techniques de broyages à haute énergie suivies de recuits et d’une mise en forme par spark plasma sintering. Ces techniques permettent une grande maîtrise des paramètres associés afin de pouvoir assurer la reproductibilité de la synthèse et de la mise en forme, cela assurant par conséquent la reproductibilité des propriétés de transport thermique et électronique.
Ces deux matériaux seront utilisés pour fabriquer des couples p-n (seulement deux jambes thermoélectriques) qui permettront de caractériser rapidement la qualité des performances thermoélectriques de ce dispositif soumis à des gradients de température variés. La relative simplicité d’un tel couple nous permettra de pratiquer de nombreux tests afin de recueillir un grand nombre de données.
L’étape finale sera de fabriquer des démonstrateurs à partir de quelques couples p-n afin de pouvoir tester ces modules dans des conditions réelles, à l’intérieur de fours hautes températures reproduisant les fours verriers de Saint Gobain, partenaires industriel du projet. Les données fournies seront utilisées pour optimiser le design des démonstrateurs, pour valider leur utilisation dans des conditions industrielles. Le rendement et la durée de vie des démonstrateurs serviront également à estimer la quantité d’énergie récupérer sous forme utile et l’avantage économique lié à l’utilisation de modules thermoélectriques pour cette application industrielle. D’autres domaines seront également envisagés en fonction des données obtenues.
Notre consortium est idéalement constitué puisqu’il combine les expertises de centres de recherche à la pointe dans ce domaine : Laboratoire CRISMAT Caen, ISRN Rennes, NIMS Tsukuba via sont appartenance à l’UMI LINK (Tsukuba) et un industriel St Gobain via son centre de recherche CREE et son appartenance à l’UMI LINK (Tsukuba). Ce consortium possède tous les équipements nécessaires à la bonne réalisation de toutes les tâches liées à ce projet. HIGHTHERM est le premier projet qui s’attaque à des applications de récupération des chaleurs perdues à très haute température.

Coordination du projet

FRANCK GASCOIN (LABORATOIRE DE CRISTALLOGRAPHIE ET SCIENCES DES MATERIAUX)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CREE SAINT GOBAIN CTRE RECHER ETUDE EURO
ISCR INSTITUT DES SCIENCES CHIMIQUES DE RENNES
CRISMAT LABORATOIRE DE CRISTALLOGRAPHIE ET SCIENCES DES MATERIAUX
LINK Laboratory for Innovative Key Materials and Structures

Aide de l'ANR 428 446 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2018 - 48 Mois

Liens utiles

Explorez notre base de projets financés

 

 

L’ANR met à disposition ses jeux de données sur les projets, cliquez ici pour en savoir plus.

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter