Axe 03
Thermoélectricité et récupération de chaleur fatale
Cimenteries, brasseries et groupes diesel rejettent des gigawatts thermiques. Transport électron–phonon dans des matériaux à éléments abondants.
Contexte
Les cimenteries, les brasseries, l'agroalimentaire et le parc considérable de groupes électrogènes diesel rejettent une puissance thermique de l'ordre du gigawatt, à des températures parfaitement exploitables. Aucune de ces sources n'est valorisée.
Les matériaux thermoélectriques performants du commerce reposent sur le tellure et le bismuth, rares et chers. La question scientifique est de savoir jusqu'où l'on peut pousser le facteur de mérite de composés construits sur des éléments abondants : cuivre, soufre, fer, antimoine, oxydes.
Questions ouvertes
Ce que la littérature ne tranche pas
Tétraédrites au cuivre : quel mécanisme verrouille la conductivité thermique de réseau près de sa limite amorphe, et jusqu'où la substitution cationique permet-elle de découpler conductivité électrique et conductivité thermique ?
Skuttérudites remplies : la description des atomes de remplissage en modes de vibration localisés indépendants suffit-elle à rendre compte de la diffusion des phonons, ou faut-il traiter le couplage anharmonique complet ?
Oxydes thermoélectriques : quel gain réel apportent l'ingénierie de bande et le filtrage énergétique aux joints de grains sur le facteur de puissance à haute température ?
Sous gradient thermique permanent et atmosphère de fumées industrielles, quels mécanismes de diffusion et d'oxydation aux contacts limitent la durée de vie d'un module ?
Un calcul ab initio du transport électron–phonon prédit-il correctement le facteur de mérite de ces composés sans paramètre ajusté ?
Faisabilité
Le criblage ab initio précède et oriente la synthèse. Un cluster, un broyeur planétaire et une presse à chaud couvrent la boucle complète calcul → synthèse → mesure.
Méthodes et moyens
- Calculs DFT de structure de bande et de transport électronique (équation de Boltzmann)
- Conductivité thermique de réseau par phonons ab initio avec anharmonicité d'ordre trois
- Synthèse par mécanosynthèse et frittage sous charge
- Mesure de Seebeck, de conductivité électrique et de diffusivité thermique en température
- Modélisation du module complet et des pertes de contact
Débouché visé
Des modules thermoélectriques à éléments abondants dimensionnés pour la chaleur fatale de l'industrie lourde et des groupes diesel, et une capacité de prédiction ab initio utilisable en collaboration.
Chaîne de production simulée
Ligne de synthèse et de modules thermoélectriques, intégration sur siteDu criblage ab initio d'un composé à l'échangeur monté sur une cheminée ou un échappement diesel.Axes liés
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