Une équipe de chercheurs du CNRS et de l’université de Perpignan Via Domitia, en collaboration avec le laboratoire PROMES, vient de présenter un prototype innovant de batterie thermique capable de stocker l’énergie solaire sous forme de chaleur avant de la reconvertir en électricité. Selon Numerama, cette technologie, basée sur les systèmes thermophotovoltaïques (TPV), pourrait offrir une alternative crédible aux solutions actuelles, souvent limitées par des contraintes géographiques ou des enjeux environnementaux.
Ce qu’il faut retenir
- Le stockage thermique solaire via des systèmes thermophotovoltaïques (TPV) permet de convertir la chaleur en électricité avec un rendement pouvant dépasser 40 % en laboratoire, contre moins de 50 % pour les centrales solaires thermodynamiques classiques.
- Le prototype développé par le CNRS/PROMES utilise un processus « solaire → chaleur → électricité », contrairement aux centrales solaires à concentration (CSP) qui nécessitent une étape supplémentaire avec turbine.
- Contrairement aux batteries lithium-ion, dont l’extraction du lithium pose des problèmes géopolitiques et environnementaux, cette technologie évite l’usage de métaux critiques.
- L’efficacité des cellules TPV dépend de la température : à 1 414 °C (point de fusion du silicium), le rendement théorique atteint 83 %, et à plus de 2 000 °C (graphite), il peut aller jusqu’à 87 %.
- Les expériences menées au MIT ont déjà démontré une efficacité pratique de plus de 40 %, mais des améliorations restent nécessaires pour une industrialisation.
L’intermittence solaire, un défi majeur pour la transition énergétique
L’énergie solaire, bien que de plus en plus accessible grâce à la baisse des coûts des panneaux photovoltaïques, reste soumise à une contrainte majeure : son intermittence. Comme le rappelle Numerama, l’électricité n’est produite que lorsque le soleil brille, ce qui crée des déséquilibres entre l’offre et la demande. Les solutions actuelles, comme les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) ou les batteries lithium-ion, présentent des limites. Les STEP, bien que matures, sont limitées par des contraintes géographiques, tandis que les batteries lithium-ion, malgré leur efficacité, reposent sur l’extraction de lithium, une ressource dont l’exploitation soulève des questions environnementales et géopolitiques.
L’Agence internationale de l’énergie (AIE) estime ainsi que la demande mondiale de lithium pourrait augmenter de 42 % d’ici 2040 par rapport à 2020, un scénario qui interroge sur la durabilité de cette filière. En France, le débat autour de l’ouverture de mines dans l’Allier a illustré les tensions entre besoin énergétique et préservation des écosystèmes. Dans ce contexte, le stockage thermique émerge comme une piste alternative, permettant de lisser la production solaire en stockant l’énergie sous forme de chaleur.
Les batteries thermiques : une conversion directe chaleur-électricité
Contrairement aux systèmes photovoltaïques classiques, qui transforment directement la lumière du soleil en électricité, les systèmes thermophotovoltaïques (TPV) exploitent le rayonnement infrarouge émis par des objets chauffés à très haute température. Comme l’explique Numerama, cette technologie repose sur un principe physique simple : tout corps chaud émet un rayonnement électromagnétique dont une partie peut être captée et convertie en électricité par des cellules photovoltaïques spécialisées, souvent composées d’arséniure d’indium-gallium.
Le principal avantage des TPV réside dans leur capacité à dépasser les limites théoriques imposées par la loi de Carnot, qui fixe une efficacité maximale pour les machines thermiques. Alors que les centrales solaires thermodynamiques (CSP) voient leur rendement plafonner autour de 50 % à 300 °C, les cellules TPV, portées à des températures extrêmes (plus de 2 000 °C pour le graphite), peuvent théoriquement atteindre un rendement de 87 %. En pratique, les prototypes développés au MIT et au laboratoire PROMES ont déjà atteint des rendements supérieurs à 40 %, un seuil encourageant pour une technologie encore jeune.
Un prototype prometteur, mais encore perfectible
Le laboratoire PROMES, basé au Grand Four Solaire d’Odeillo (Pyrénées-Orientales), a conçu le premier prototype expérimental d’un système « solaire → chaleur → électricité » utilisant des cellules TPV. Comme le précise Numerama, ce dispositif se distingue des CSP traditionnels par l’absence de turbine : la chaleur solaire est directement convertie en électricité via les cellules TPV, ce qui permet une mise à l’échelle plus flexible et des coûts de maintenance réduits. « Notre dispositif pourrait être rentable à une échelle beaucoup plus réduite que les systèmes CSP actuels », souligne Vera Moerbeek, doctorante en physique au CNRS et co-autrice de l’étude.
Cependant, des défis techniques subsistent. L’efficacité globale du système dépend de deux facteurs clés : la capacité à atteindre des températures suffisamment élevées et l’optimisation des cellules TPV elles-mêmes. Aujourd’hui, le prototype fonctionne avec des températures de l’ordre de 1 400 °C, mais des gains supplémentaires sont nécessaires pour rivaliser avec les performances des batteries lithium-ion, dont le rendement dépasse 90 % dans des conditions idéales. Les chercheurs travaillent donc à améliorer la conductivité thermique des matériaux et l’efficacité des cellules, tout en explorant des solutions pour réduire les pertes énergétiques lors de la conversion.
Une alternative aux batteries lithium-ion, mais pas une solution miracle
Si les batteries thermiques représentent une piste crédible pour le stockage massif de l’énergie solaire, elles ne constituent pas pour autant une réponse universelle. Comme le souligne Numerama, leur principal atout réside dans leur faible dépendance aux métaux critiques, contrairement aux batteries lithium-ion. Cependant, leur déploiement à grande échelle soulève des questions logistiques : la nécessité de maintenir des températures extrêmes en continu exige des matériaux résistants et des infrastructures adaptées, ce qui peut limiter leur application dans certains contextes.
Par ailleurs, cette technologie ne remplace pas toutes les autres solutions de stockage. Les STEP et les batteries électrochimiques restent indispensables pour répondre aux besoins de flexibilité à court terme, tandis que les batteries thermiques pourraient s’imposer pour des usages nécessitant un stockage de longue durée ou une intégration directe dans des réseaux solaires centralisés. Leur coût, encore difficile à évaluer avec précision, dépendra largement des progrès technologiques et des économies d’échelle réalisables dans les années à venir.
Pour l’instant, le stockage thermique solaire reste un domaine de recherche actif, porté par des laboratoires publics et des start-up innovantes. Son succès dépendra non seulement des avancées technologiques, mais aussi des politiques publiques visant à soutenir les énergies renouvelables et à encadrer l’extraction des métaux critiques. Une chose est sûre : face aux défis climatiques et géopolitiques, l’innovation dans le stockage de l’énergie n’a jamais été aussi cruciale.
Une centrale solaire thermodynamique (CSP) utilise la chaleur solaire pour produire de la vapeur, laquelle entraîne une turbine générant de l’électricité. Les batteries thermiques, en revanche, convertissent directement la chaleur stockée en électricité via des cellules thermophotovoltaïques (TPV), sans étape intermédiaire avec une turbine. Cette approche permet une mise à l’échelle plus flexible et réduit les coûts de maintenance.
Le rendement des CSP est limité par la loi de Carnot, qui plafonne l’efficacité des machines thermiques à une valeur dépendant de la température de la source chaude et froide. Les cellules TPV, en revanche, exploitent le rayonnement infrarouge émis par un corps chaud, contournant partiellement cette limite. À très haute température (plus de 2 000 °C), leur rendement théorique peut atteindre 87 %, contre environ 50 % pour les CSP classiques.
