Technologie de récupération
d'énergie thermique

La société MOÏZ est une start-up dite « deep-tech » issue d’un laboratoire de recherche fondamentale en physique de la matière condensée du CNRS situé à Grenoble, l’institut Néel. Les technologies utilisées dans nos capteurs autonomes sont le résultat d'une dizaine d'années de travail et de plusieurs projets de recherche financés par l’Europe, l’ANR, le CNRS et la SATT Linksium. Nos capteurs autonomes utilisent l'effet thermoélectrique, et plus particulièrement l'effet Seebeck, pour convertir l’énergie thermique présente dans leur environnement en énergie électrique nécessaire à leur alimentation.


L'effet thermoélectrique

L'effet thermoélectrique est un phénomène physique décrivant la conversion d'un flux de chaleur en électricité. Les effets thermoélectriques les plus connus sont l'effet Peltier, généralement utilisé pour créer du froid à partir d'un courant électrique, et l'effet Seebeck qui décrit l'apparition d'une tension électrique aux bornes d'un matériau soumis à une différence de température.

L'effet Seebeck est au cœur du fonctionnement de nos capteurs autonomes. On peut illustrer cet effet à l'aide de la figure ci-contre représentant un barreau métallique dont les extrémités sont soumises à une différence de température. Les électrons les plus chauds étant plus énergétiques que les électrons les plus froids, leur diffusion sera favorisée ce qui aura pour effet l'apparition d'une différence de potentiel aux bornes du barreau.

Cet effet existe dans la plupart des matériaux usuels mais il est plus prononcé dans certains matériaux appelés matériaux thermoélectriques. Ces matériaux sont généralement des alliages semi-conducteurs fortement dopés. Par exemple, les alliages à base de tellure de bismuth sont aujourd'hui utilisés dans la plupart des modules thermoélectriques commercialisés de part le monde.

Membrane

De l'effet thermoélectrique au module thermoélectrique

Malheureusement l'efficacité de conversion offerte par l'effet thermoélectrique ne permet pas d'utiliser les matériaux thermoélectriques tels quels. En effet les tensions produites aux bornes de ces matériaux sont de l'ordre de 200 µV.K-1. Afin d'améliorer l'efficacité des dispositifs il est nécessaire d'utiliser des matériaux semi-conducteurs de type N et P et de les connecter électriquement en série et thermiquement en parallèle. On obtient alors un module thermoélectrique comme illustré ci contre. Ces modules sont fabriqués de façon industrielle, ils sont essentiels pour refroidir des composants optiques, en particulier dans les télécommunications. Les modules utilisés par la start-up MOÏZ ont été testés dans nos locaux et sélectionnés autant pour leurs performances que pour leur fiabilité.

Si on regarde d'un peu plus près l'efficacité thermodynamique de la conversion de chaleur en électricité, on voit qu'elle ne dépend in fine que des propriétés des matériaux thermoélectriques. Dans des conditions standards cette efficacité est de l'ordre de 7%. Cette efficacité est certes faible au regard d'autres technologies de conversion d'énergie, mais elle est largement suffisante pour alimenter un ou plusieurs capteurs connectés dans la plupart des environnements industriels.

Pour conserver cette efficacité, il faut encore être capable d'évacuer 93% du flux de chaleur entrant, sans quoi l'équilibre thermique va homogénéiser les températures des faces chaudes et froides du module thermoélectrique. La puissance récupérée tendra alors vers zéro. Par conséquent la plupart des dispositifs thermoélectriques sont couplés à de gros dissipateurs, voire même à des ventilateurs ! Tout l’enjeu est donc d’évacuer correctement les calories de la surface froide.

C'est pour cette raison que nous accordons un grand soin à l'optimisation du design thermique de nos capteurs autonomes. Cette optimisation a donné lieu au dépôt d'un brevet et nous permet aujourd'hui d'atteindre une autonomie complète dans de nombreux environnements industriels.

Vers des modules thermoélectriques sur silicium

Par ailleurs la start-up MOÏZ développe une technologie brevetée mise au point à l'institut Néel. Il s'agit d'un nouveau type de nano-module thermoélectrique (nano-TEG) planaire et intégrable sur silicium grâce à l'utilisation de technologies MEMS.

L’architecture de notre technologie de récupération d’énergie sur silicium présente de nombreux bénéfices vis-à-vis des modules Peltier existants sur le marché :

  • La structure sous forme de membrane des nano-TEGs permet une évacuation efficace des calories sans utiliser de dissipateurs.

  • La faible masse de la membrane permet d'accroître la sensibilité du dispositif aux fluctuations de température.

  • La conversion peut être assurée par n'importe quel matériau thermoélectrique déposé sous forme de couches minces

  • L'utilisation de couches ultra-minces permet de diminuer la quantité de matériau thermoélectrique nécessaire à son fonctionnement.

  • les nano-TEGs ont pour particularité de pouvoir être mis en parallèle par centaines permettant d’obtenir une impédance de quelques ohms malgré l'utilisation de couches minces. C’est ce dernier point qui permet à nos générateurs de pouvoir être couplés avec des composants électroniques fréquemment utilisés.

Performante, facilement intégrable, cette solution de récupération d’énergie est en cours de développement.

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