Fonderie d’acier sans combustibles fossiles : l’énergie solaire brise la barrière des 1 000°C pour le chauffage industriel
Le composant principal du piège thermique est un cylindre en quartz. Lors des expériences, il a atteint une température de 1 050 degrés Celsius et a brillé à cette chaleur. Crédit: ETH Zurich / Emiliano Casati
Des chercheurs suisses ont développé une méthode d’énergie solaire utilisant du quartz synthétique pour atteindre des températures supérieures à 1 000 °C dans les processus industriels, remplaçant potentiellement les combustibles fossiles dans la production de matériaux comme l’acier et le ciment.
Au lieu de brûler des combustibles fossiles pour atteindre les températures nécessaires à la fonte de l’acier et à la cuisson du ciment, les scientifiques suisses souhaitent utiliser la chaleur du soleil. L’étude de validation de principe utilise du quartz synthétique pour piéger l’énergie solaire à des températures supérieures à 1 000 °C (1 832 °F), démontrant le rôle potentiel de la méthode dans la fourniture d’énergie propre aux industries à forte intensité de carbone. Un article sur la recherche a été publié le 15 mai dans la revue Appareil.
La nécessité de la décarbonisation
« Pour lutter contre le changement climatique, nous devons décarboniser l’énergie en général », déclare l’auteur correspondant Emiliano Casati de l’ETH Zurich, Suisse. « Les gens ont tendance à considérer l’électricité uniquement comme de l’énergie, mais en réalité, environ la moitié de l’énergie est utilisée sous forme de chaleur. »
Le verre, l’acier, le ciment et la céramique sont au cœur même de la civilisation moderne et sont essentiels à la construction de tout, des moteurs de voitures aux gratte-ciel. Cependant, la fabrication de ces matériaux nécessite des températures supérieures à 1 000 °C et dépend fortement de la combustion de combustibles fossiles pour se chauffer. Ces industries représentent environ 25 % de la consommation mondiale d’énergie. Les chercheurs ont exploré une alternative énergétique propre en utilisant des récepteurs solaires, qui concentrent et accumulent la chaleur grâce à des milliers de miroirs qui suivent le soleil. Cependant, cette technologie présente des difficultés à transférer efficacement l’énergie solaire au-dessus de 1 000°C.
Illustration du piège thermique expérimental. Il se compose d’une tige de quartz (à l’intérieur) et d’un absorbeur en céramique (à l’extérieur). Le rayonnement solaire pénètre par l’avant, la chaleur est générée à l’arrière. Crédit : Casati E et al. Appareil 2024, édité
Récepteurs solaires innovants
Pour augmenter l’efficacité des récepteurs solaires, Casati s’est tourné vers des matériaux semi-transparents tels que le quartz, qui peuvent piéger la lumière du soleil, un phénomène appelé effet de piège thermique. L’équipe a conçu un dispositif de piégeage thermique en attachant une tige de quartz synthétique à un disque de silicium opaque comme absorbeur d’énergie. Lorsqu’ils ont exposé l’appareil à un flux d’énergie équivalent à la lumière provenant de 136 soleils, la plaque absorbante a atteint 1 050°C (1 922°F), tandis que l’autre extrémité de la tige de quartz est restée à 600°C (1 112°F).
Innover dans le piégeage solaire thermique
« Des recherches antérieures n’ont réussi à démontrer l’effet de piège thermique que jusqu’à 170°C (338°F) », explique Casati. « Nos recherches ont montré que le piégeage solaire thermique fonctionne non seulement à basse température, mais bien au-dessus de 1 000 °C. Ceci est crucial pour montrer son potentiel pour des applications industrielles réelles.
À l’aide d’un modèle de transfert de chaleur, l’équipe a également simulé l’efficacité du piégeage thermique du quartz dans différentes conditions. Le modèle a montré que le piégeage thermique atteint la température cible à des concentrations plus faibles avec les mêmes performances, ou à une efficacité thermique plus élevée pour une concentration égale. Par exemple, un récepteur de pointe (non blindé) a un rendement de 40 % à 1 200°C, avec une concentration de 500 soleils. Le récepteur protégé par 300 mm de quartz atteint une efficacité de 70 % à la même température et concentration. Le récepteur non blindé nécessite au moins 1 000 soleils de concentration pour des performances comparables.
Orientations futures et viabilité économique
Casati et ses collègues optimisent actuellement l’effet de piégeage thermique et étudient de nouvelles applications pour cette méthode. Jusqu’à présent, leurs recherches sont prometteuses. En explorant d’autres matériaux, tels que différents fluides et gaz, ils ont pu atteindre des températures encore plus élevées. L’équipe a également noté que la capacité de ces matériaux semi-transparents à absorber la lumière ou le rayonnement ne se limite pas au rayonnement solaire.
« La question énergétique est une pierre angulaire de la survie de notre société », déclare Casati. « L’énergie solaire est facilement disponible et la technologie est déjà là. Pour vraiment motiver l’adoption par l’industrie, nous devons démontrer la viabilité économique et les avantages de cette technologie à grande échelle.
