Une technologie financée par l'UE transforme la même lumière solaire en électricité et en chaleur sans surchauffer les cellules.
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Le projet NANOSPLIT a développé un fluide avec des nanoparticules qui sépare les composants de la lumière solaire avant qu'ils n'atteignent les cellules photovoltaïques. La lumière utile produit de l'électricité, tandis que le rayonnement qui pourrait surchauffer les cellules est capté et transformé en énergie thermique pour l'eau chaude, le chauffage des bâtiments ou, dans les développements futurs, des processus industriels.
Un projet européen a développé un fluide avec des nanoparticules capable de répartir la lumière solaire entre deux utilisations différentes : les longueurs d'onde appropriées sont envoyées vers les cellules photovoltaïques pour la production d'électricité, tandis que le rayonnement qui génère de la chaleur est capté séparément et transformé en énergie thermique. La technologie NANOSPLIT vise ainsi à produire simultanément de l'électricité et de la chaleur, tout en maintenant les cellules solaires à des températures plus basses.
En résumé
1. NANOSPLIT a développé un séparateur spectral basé sur des nanofluides pour des systèmes solaires hybrides qui produisent simultanément de l'électricité et de la chaleur utilisable.
2. Le fluide utilise des feuilles d'oxyde de zinc et des nanoparticules d'or pour contrôler les différents composants du spectre solaire avant que la lumière n'atteigne les cellules photovoltaïques.
3. La lumière visible et une partie de l'infrarouge sont laissées passer vers les cellules solaires, tandis que les ultraviolets et le rayonnement infrarouge qui transportent de la chaleur sont dirigés vers la partie thermique du système.
4. La séparation réduit le réchauffement des cellules photovoltaïques, qui perdent de leur efficacité à des températures élevées, et permet la récupération de l'énergie qui autrement deviendrait de la chaleur excessive.
5. Le projet financé par l'UE s'est terminé en 2023, mais la recherche se poursuit avec des partenaires d'Europe et d'Inde, y compris pour des applications de chaleur industrielle à des températures plus élevées.
Les panneaux photovoltaïques ne transforment qu'une partie de l'énergie de la lumière solaire en électricité. Une autre partie est absorbée sous forme de chaleur, et le réchauffement des cellules peut même réduire l'efficacité avec laquelle elles produisent de l'électricité.
Le problème est plus accentué dans les systèmes photovoltaïques à concentration, où des lentilles ou des miroirs concentrent de grandes quantités de lumière sur une surface relativement petite de cellules solaires. L'intensité du rayonnement augmente la production potentielle d'énergie, mais élève en même temps la température des cellules.
Les systèmes photovoltaïques thermiques tentent d'utiliser les deux formes d'énergie. Ils produisent de l'électricité par les cellules photovoltaïques et récupèrent la chaleur pour d'autres utilisations, au lieu de la laisser se perdre dans l'environnement.
NANOSPLIT a débuté en 2021 avec l'objectif d'améliorer cette combinaison dans les systèmes photovoltaïques thermiques à concentration. Le projet financé par l'UE s'est concentré sur un séparateur spectral qui intervient avant que le rayonnement solaire total n'atteigne les cellules.
Le principe est de séparer les différentes longueurs d'onde de la lumière solaire en fonction de la manière dont elles peuvent être utilisées le plus efficacement. Le rayonnement favorable à la production d'électricité est transmis aux cellules photovoltaïques, tandis que les composants qui contribuent principalement au réchauffement sont captés pour la production d'énergie thermique.
De cette manière, la même source de rayonnement solaire peut fournir deux produits énergétiques. Le système obtient de l'électricité de la partie du spectre envoyée aux cellules photovoltaïques et de la chaleur du rayonnement absorbé par le fluide.
La technologie développée dans le projet utilise des nanofluides hybrides construits à partir de feuilles d'oxyde de zinc et de nanoparticules d'or. Ces matériaux forment un filtre qui interagit différemment avec divers composants de la lumière.
Le fluide permet à la lumière visible et à une partie du rayonnement infrarouge proche de passer vers les cellules photovoltaïques. En même temps, il absorbe le rayonnement ultraviolet et la partie de l'infrarouge associée plus fortement au transport de chaleur.
L'énergie absorbée n'est pas considérée comme une perte. Elle réchauffe le fluide et peut être transférée à la composante thermique de l'installation.
CORDIS indique l'eau chaude domestique et le chauffage des espaces parmi les utilisations possibles de cette chaleur. La recherche ultérieure vise également des températures plus élevées, ce qui pourrait permettre l'utilisation de l'énergie thermique dans des processus industriels.
Maintenir les cellules à une température plus basse a une fonction séparée. Le rendement photovoltaïque diminue lorsque la température de la cellule augmente, donc éloigner une partie du rayonnement qui générerait de la chaleur peut protéger la performance électrique.
Une température plus basse peut également contribuer à prolonger la durée de vie des cellules, en limitant le stress thermique auquel elles sont exposées pendant leur fonctionnement.
NANOSPLIT vise ainsi à utiliser une plus grande proportion de l'énergie totale du spectre solaire, au lieu de maximiser exclusivement la quantité d'électricité produite. La performance du système doit être évaluée par la combinaison entre l'énergie électrique et l'énergie thermique récupérée.
CORDIS ne fournit pas dans le matériel publié une valeur unique de l'efficacité commerciale finale du système ni de comparaison en pourcentage qui permettrait d'affirmer une certaine augmentation de la production par rapport aux panneaux photovoltaïques conventionnels.
Le document ne précise pas non plus le coût estimé d'une installation commerciale, la période de retour sur investissement ou le moment où la technologie pourrait devenir disponible à grande échelle. NANOSPLIT reste une technologie en développement, et la recherche se poursuit après la fin du financement initial.
Les résultats du projet ont été présentés en 2024 lors de la conférence internationale ECOS à Rhodes, dédiée à la thermodynamique et à la transition énergétique durable.
Après la fin du projet en 2023, l'équipe a continué à collaborer avec des partenaires existants et nouveaux d'Europe et d'Inde. L'objectif déclaré est de continuer le développement jusqu'à des applications dans des conditions réelles.
Une des directions actuelles de recherche utilise des nanofluides à base de points de carbone. Leurs propriétés peuvent être ajustées de manière à ce que le fluide interagisse sélectivement avec certaines couleurs ou longueurs d'onde.
Les matériaux peuvent être combinés ou structurés dans différentes configurations pour améliorer la stabilité, la résistance et l'efficacité. Cette étape pourrait permettre d'adapter le séparateur spectral à différents types de cellules photovoltaïques ou d'applications thermiques.
Le développement de la technologie a également généré une activité commerciale. Solar Flow, une entreprise issue de l'Imperial College London, travaille à l'utilisation du concept pour la production de chaleur industrielle à des températures plus élevées.
Les applications industrielles sont différentes du chauffage d'un logement. De nombreux processus de fabrication nécessitent de la chaleur, et actuellement celle-ci est souvent produite par la combustion de gaz ou d'autres combustibles.
L'utilisation de l'énergie solaire pour une partie de ces processus pourrait réduire la consommation de combustibles et les émissions associées là où la température et la continuité nécessaires peuvent être assurées techniquement et économiquement.
Le matériel CORDIS ne précise pas les industries dans lesquelles Solar Flow mettra en œuvre la première installation commerciale ni la température maximale atteinte par le système en développement.
Un autre élément qui doit être démontré avant une utilisation étendue est la stabilité des nanofluides. Les particules doivent rester distribuées et conserver leurs propriétés optiques et thermiques dans un système exposé à des températures élevées et à un rayonnement solaire de manière répétée.
L'utilisation de l'or dans le nanofluide soulève également la question du coût des matériaux lors de l'extension de la production. Le document ne présente pas le coût des nanoparticules nécessaires pour une installation ni la quantité qui serait nécessaire pour un système commercial.
Par conséquent, le résultat du projet ne représente pas le lancement d'un nouveau type de panneau solaire disponible pour les consommateurs. Il s'agit de démontrer une méthode de gestion du spectre solaire qui continue d'être développée pour l'intégration dans des systèmes photovoltaïques thermiques.
Le coordinateur de NANOSPLIT, le professeur de technologies pour l'énergie propre à l'Imperial College London, Christos Markides, a décrit le résultat comme une démonstration de la manière dont la gestion optique et thermique peut être combinée dans la prochaine génération de technologies solaires.
« NANOSPLIT a réussi à démontrer comment des solutions avancées de gestion optique et thermique peuvent être utilisées efficacement pour débloquer la prochaine génération de technologies d'utilisation solaire », a déclaré Markides.
NANOSPLIT est l'acronyme de Nanofluid Spectral Beam Splitter Assisted Hybrid CPV/T System. Le projet, lancé en 2021 et terminé en 2023, a été financé par l'Union européenne et coordonné par l'Imperial College London.
Les systèmes CPV/T combinent la photovoltaïque à concentration et la récupération thermique. Les miroirs ou lentilles concentrent la lumière sur les cellules, et la chaleur générée est captée et utilisée au lieu d'être complètement dissipée.
CORDIS suit les projets de recherche financés par l'UE et leurs résultats. Le matériel d'août 2026 fait partie d'une série qui analyse l'évolution des projets après la fin du financement européen et décrit la poursuite du développement de NANOSPLIT, sans annoncer la commercialisation de la technologie.
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