Cellule thermogalvanique - Thermogalvanic cell
Une cellule thermogalvanique est une sorte de cellule galvanique dans laquelle la chaleur est utilisée pour fournir directement de l' énergie électrique . Ces cellules sont des cellules électrochimiques dans lesquelles les deux électrodes sont volontairement maintenues à des températures différentes. Cette différence de température génère une différence de potentiel entre les électrodes. Les électrodes peuvent être de composition identique et la solution d' électrolyte homogène. C'est généralement le cas dans ces cellules. Cela contraste avec les cellules galvaniques dans lesquelles des électrodes et / ou des solutions de composition différente fournissent le potentiel électromoteur. Tant qu'il y a une différence de température entre les électrodes, un courant circule dans le circuit. Une cellule thermogalvanique peut être considérée comme analogue à une cellule de concentration mais au lieu de fonctionner sur des différences de concentration / pression des réactifs, elles utilisent des différences dans les "concentrations" d'énergie thermique. La principale application des cellules thermogalvaniques est la production d'électricité à partir de sources de chaleur à basse température ( chaleur résiduelle et chaleur solaire ). Leur efficacité énergétique est faible, de l'ordre de 0,1% à 1% pour la conversion de la chaleur en électricité.
L'histoire
L'utilisation de la chaleur pour renforcer les cellules galvaniques a été étudiée pour la première fois vers 1880. Cependant, ce n'est que dans la décennie de 1950 que des recherches plus sérieuses ont été entreprises dans ce domaine.
Mécanisme de travail
Les cellules thermogalvaniques sont une sorte de moteur thermique . En fin de compte, la force motrice derrière eux est le transport de l' entropie de la source à haute température vers le puits à basse température. Par conséquent, ces cellules fonctionnent grâce à un gradient thermique établi entre différentes parties de la cellule. Parce que la vitesse et l' enthalpie des réactions chimiques dépendent directement de la température, différentes températures aux électrodes impliquent différentes constantes d' équilibre chimique . Cela se traduit par des conditions d'équilibre chimique inégales du côté chaud et du côté froid. La thermocellule tente de s'approcher d'un équilibre homogène et, ce faisant, produit un flux d'espèces chimiques et d'électrons. Les électrons circulent sur le chemin de moindre résistance (le circuit externe) permettant d'extraire de l'énergie de la cellule.
Les types
Différentes cellules thermogalvaniques ont été construites en tenant compte de leurs utilisations et propriétés. Habituellement, ils sont classés en fonction de l'électrolyte utilisé dans chaque type spécifique de cellule.
Electrolytes aqueux
Dans ces cellules, l'électrolyte entre les électrodes est une solution aqueuse d'un sel ou d'un composé hydrophile. Une propriété essentielle de ces composés est qu'ils doivent pouvoir subir des réactions redox pour faire la navette d'électrons d'une électrode à l'autre pendant le fonctionnement de la cellule.
Electrolytes non aqueux
L'électrolyte est une solution d'un autre solvant différent de l'eau. Des solvants comme le méthanol , l' acétone , le diméthylsulfoxyde et le diméthylformamide ont été utilisés avec succès dans les cellules thermogalvaniques fonctionnant sur du sulfate de cuivre.
Sels fondus
Dans ce type de thermocellule, l'électrolyte est une sorte de sel avec un point de fusion relativement bas. Leur utilisation résout deux problèmes. D'une part, la plage de température de la cellule est beaucoup plus large. C'est un avantage car ces cellules produisent plus de puissance, plus la différence entre les côtés chaud et froid est grande. D'autre part, le sel liquide fournit directement les anions et les cations nécessaires au maintien d'un courant à travers la cellule. Par conséquent, aucun composé porteur de courant supplémentaire n'est nécessaire car le sel fondu est l'électrolyte lui-même. Les températures typiques des sources chaudes se situent entre 600 et 900 K, mais peuvent atteindre 1730 K. Les températures des puits froids sont comprises entre 400 et 500 K.
Électrolytes solides
Des thermocellules dans lesquelles l'électrolyte reliant les électrodes est un matériau ionique ont également été envisagées et construites. La plage de température est également élevée par rapport aux électrolytes liquides. Les systèmes étudiés tombent dans les 400–900 K. Certains matériaux ioniques solides qui ont été utilisés pour construire des cellules thermogalvaniques sont AgI , PbCl 2 et PbBr 2 .
Les usages
Compte tenu des avantages procurés par le mécanisme de fonctionnement des cellules thermogalvaniques, leur application principale est la production d'électricité dans des conditions où il y a un excès de chaleur disponible. En particulier, des cellules thermogalvaniques sont utilisées pour produire de l'électricité dans les domaines suivants.
Énergie solaire
La chaleur collectée à partir de ce processus génère de la vapeur, qui peut être utilisée dans un système de turbine à vapeur conventionnel pour produire de l'électricité. Contrairement aux systèmes solaires thermiques à basse température qui sont utilisés pour le chauffage de l'air ou de l'eau dans les bâtiments domestiques ou commerciaux, ces centrales électriques solaires thermiques fonctionnent à des températures élevées, nécessitant à la fois une lumière solaire concentrée et une grande zone de collecte, faisant du désert marocain un idéal. emplacement.
Il s'agit d'une approche alternative à la technologie «photovoltaïque» plus largement utilisée pour produire de l'électricité à partir du soleil. Dans un système photovoltaïque, la lumière du soleil est absorbée dans le dispositif photovoltaïque (communément appelé cellule solaire) et l'énergie est transmise aux électrons du matériau, convertissant directement l'énergie solaire en électricité. Parfois, l'électricité solaire thermique et le photovoltaïque sont décrits comme des technologies concurrentes et, bien que cela puisse être vrai au moment de décider de la voie à suivre pour un site spécifique, ils sont en général complémentaires, utilisant l'énergie solaire aussi largement que possible.
Générateurs thermiques
Sources de chaleur résiduelle
Les cellules thermogalvaniques peuvent être utilisées pour extraire une quantité utile d'énergie des sources de chaleur perdue même lorsque le gradient de température est inférieur à 100 ° C (parfois seulement quelques dizaines de degrés). C'est souvent le cas dans de nombreuses zones industrielles.