Les Défis du CEA n°175 novembre 2012
Les Défis du CEA n°175 novembre 2012
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°175 de novembre 2012

  • Périodicité : mensuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (200 x 297) mm

  • Nombre de pages : 24

  • Taille du fichier PDF : 2,0 Mo

  • Dans ce numéro : dompter les énergies nomades.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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grand angle dompter les énergies nomades Des micro PAC dans les mobiles À gauche, vue d’une micro pile à combustible, en version « éclatée », avec le cœur de la pile et la cartouche d’hydrogène. À droite, la même micro pile à combustible qui tient dans la main ! • Pile à combustible : dispositif produisant de l’électricité grâce à l’oxydation de l’hydrogène et à la réduction de l’oxygène, sur une électrode avec de l’eau pour seul produit de réaction. Artechnique Artechnique Les micro piles à combustible• (PAC) sont envisagées pour recharger les batteries des téléphones portables ou autres objets communicants. Si la concurrence, principalement japonaise, a choisi le méthanol comme carburant de cette catégorie de PAC, les chercheurs du CEA-Liten ont opté depuis le début pour l’hydrogène. « Nous y travaillons depuis dix ans avec des savoir-faire tant sur le cœur de la pile que sur les cartouches de recharge » indique Frédéric Gaillard, chef de département au CEA-Liten. Beaucoup de développements à l’échelle nanométrique ont été réalisés pour maîtriser, d’une part, la génération d’hydrogène à la demande dans la cartouche et, d’autre part, l’efficacité des catalyseurs dans le cœur de la PAC. Dans les applications de forte puissance, comme l’automobile, les recherches portent sur la réduction de la teneur en platine (métal rare) des électrodes des PAC. Des marchés de remplacement aux marchés émergents Pour l’heure, les chercheurs expérimentent avec STMicroelectronics une alternative aux piles boutons utilisées dans les téléphones portables. Ces piles, qui permettent de sauvegarder les données lorsque la batterie est vide, ne peuvent pas être intégrées à la carte mémoire car elles ne supportent pas les températures de soudure. Les équipes de recherche ont donc décidé d’encapsuler « leur » microcellule avec la puce, dans un boîtier. L’ensemble peut supporter jusqu’à 260 °C. « Nous avons validé un système de 5 mm x 5 mm et travaillons actuellement vers sa miniaturisation à 2 mm x 2 mm, détaille Raphaël Salot. Nous nous positionnons également sur les marchés émergents comme ceux de la sécurité et de l’authentification via des cartes à puce dotées d’écran et de clavier intégrés. Pour ces produits, la source d’énergie doit être embarquée. Le cahier des charges stipule des capacités de l’ordre du mA.h, une épaisseur maximale de 200 microns, une résistance à 150 °C, une bonne cyclabilité… » Bandages intelligents, capteurs thermiques… Le secteur des télécommunications n’est pas le seul à bénéficier des innovations dans le domaine des batteries miniatures. Pour preuve, ce projet européen visant le développement de bandages intelligents pour renseigner sur la pression du serrage afin de ne pas invalider le patient. Il s’agit d’intégrer dans un textile (le bandage) un capteur de pression ainsi que son alimentation en énergie. Les chercheurs ont développé une batterie flexible et adaptable pendant que leurs partenaires travaillaient sur des connexions métalliques en forme d’accordéon, compatibles avec les contraintes d’installation (étirements) du bandage. Utilisés pour effectuer toutes sortes de mesures, les capteurs sont en effet gourmands en énergie. Placés parfois dans des endroits à l’accès difficile dans lesquels ils doivent rester longtemps, leur durée de vie et l’énergie embarquée sont importantes. « Pour ce type d’applications, nous travaillons sur des concepts de systèmes hybrides avec récupération et stockage d’énergie. Par exemple, sur une canalisation enterrée, la chaleur du fluide circulant est récupérée par des matériaux thermoélectriques (voir article suivant) qui la convertissent en électricité. La batterie est alors rechargée pour alimenter le capteur ainsi que les systèmes de transmission de données… » souligne Raphaël Salot. Parallèlement à tous ces développements, dont la liste est loin d’être exhaustive, le CEA-Liten est déjà actif pour élaborer les prochaines générations de batteries, celles qui nécessiteront d’opérer avec des gammes de tension encore plus basse pour satisfaire le cahier des charges des nouveaux composants électroniques. Une tendance observée dans le domaine de la microélectronique, afin de réduire les consommations d’énergie. Là encore, les chercheurs ont plus d’un tour dans leur sac. 18 Les défis du CEA Plus d’informations sur www.cea.fr
Rien ne se perd, tout se récupère… même l’énergie Utiliser la différence de température entre deux éléments pour créer un courant électrique : c’est l’un des principes de la thermoélectricité. Encombrement limité, faible usure des composants… les avantages de ce mode de récupération d’énergie sont nombreux. Alors que les rendements cantonnaient ces dispositifs à des applications de niche, les progrès réalisés sur les matériaux permettent aujourd’hui d’envisager l’émergence d’une filière industrielle française. De quoi inspirer les autres systèmes qui récupèrent l’énergie sous toutes ses formes. « ien ne se crée, tout se transforme », disait Lavoisier, Rdans une formule qui sied également à la nature de l’énergie. En effet, qu’est-elle sinon un flux de particules qui passent d’un état à un autre : chaleur, rayonnement, courant électrique… De même « rien ne se perd, tout se récupère », doivent se dire ces ingénieurs du CEA-Liten qui exploitent les gradients thermiques, mais aussi mécaniques ou encore l’énergie solaire (lire encadrés) pour récupérer l’énergie dans nos environnements quotidiens et ainsi alimenter en énergie nos appareils électroniques. Quelques degrés d’écart… et le courant passe Il est un phénomène de récupération d’énergie particulièrement intéressant, celui de la thermoélectricité. Grâce à elle, les quelques degrés d’écart entre l’intérieur et l’extérieur d’un bâtiment sont par exemple exploitables. Par l’un de ses deux effets 1, Seebeck•, la thermoélectricité permet de convertir dans un système la différence de température de deux éléments en un courant électrique. Elle constitue alors une source d’énergie d’appoint propre car elle valorise des sources de chaleur perdues comme les pots d’échappement et les moteurs des voitures ou, à des échelles stationnaires, les canalisations d’eau chaude, les circuits de refroidissement des centrales nucléaires… Ces systèmes ont déjà fait leur preuve en alimentant en électricité des sondes spatiales, par exemple celle de la sonde Voyager était assurée par l’échange thermique entre le milieu extérieur et le plutonium fissile du carburant qui en se désintégrant libère de la chaleur. L’intérêt du processus thermoélectrique réside dans le fait qu’il ne fait intervenir aucune pièce mobile, ce qui présente des avantages en termes de longévité (pas d’usure), de coût (pas de maintenance) et d’encombrement (compacité). Mais, jusqu’à présent les performances ne permettaient pas d’obtenir des rendements importants et limitaient ces convertisseurs à des applications de niche. C’était sans compter sur les travaux d’une équipe du CEA- Liten qui essaime actuellement la start-up Hot Block On Board afin d’œuvrer, ni plus ni moins, à l’émergence d’une filière française sur les composants et les applications thermoélectriques. Artechnique/CEA• Effet Seebeck : effet à la base de la génération d’électricité : une différence de potentiel électrique apparaît à la jonction de deux conducteurs de natures différentes lorsqu’ils sont soumis à une différence de température. Note : 1. L’effet Peltier est le second phénomène thermoélectrique qui permet, lui, de produire une source de chaleur ou de refroidissement à partir d’un courant électrique. Très utilisé dans la microélectronique par exemple pour refroidir les composants. Composant thermique. Novembre 2012 N°175 19



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