Dans un contexte où la transition énergétique est cruciale, la valorisation de l’énergie infrarouge terrestre se présente comme une innovation prometteuse. Ce potentiel, lié à l’émission naturelle de chaleur de notre planète, pourrait révolutionner le secteur des énergies renouvelables, offrant une alternative pour compléter nos systèmes actuels tels que le solaire et l’éolien.

Le prochain grand saut des énergies renouvelables : L’énergie infrarouge terrestre

Le monde des énergies renouvelables est en pleine révolution. Face à l’urgence mondiale de réduire les émissions de carbone et de réduire la dépendance aux combustibles fossiles, une proposition innovante émerge : capter l’énergie infrarouge que la Terre émet naturellement vers l’espace. Bien que cela puisse sembler relever de la science-fiction, la communauté scientifique a consacré un temps considérable à cette recherche, réalisant des avancées significatives pour développer une technologie qui, bien que naissante, pourrait transformer le paysage énergétique en complément des systèmes solaires et éoliens existants.

Comprendre le phénomène : Qu’est-ce que la radiación infrarouge terrestre ?

Avant d’explorer la technologie, il est essentiel de comprendre ce qui se passe avec l’énergie que la Terre reçoit et émet quotidiennement. La Terre, comme tout corps dont la température dépasse le zéro absolu, émet de l’énergie en permanence. Cette émission se situe principalement dans le spectre électromagnétique connu sous le nom d’infrarouge de longueurs d’onde, c’est-à-dire la chaleur qui s’échappe vers l’espace.

Durant la journée, la surface terrestre absorbe la radiation solaire. Une partie de cette radiation est réfléchie, mais une autre est transformée en chaleur. La nuit, cette chaleur stockée est libérée sous forme de radiation infrarouge, voyageant du sol jusqu’aux couches supérieures de l’atmosphère, puis, finalement, vers le froid de l’espace extérieur (environ -270 °C). Un concept clé apparaît ici : le gradient thermique, c’est-à-dire la différence de température entre la surface chaude de la planète et l’espace glacial, une différence que la physique classique considère comme une source potentielle de travail utile.

L’énergie associée à ce processus est immense. En effet, il est estimé que la puissance totale émise par la Terre vers le cosmos avoisine les 10^17 watts, un chiffre astronomique qui, jusqu’à présent, n’a pas été exploité comme source électrique directe. Le défi consiste à transformer ce flux de chaleur, souvent considéré comme une perte inévitable, en quelque chose d’utile. C’est ici que l’innovation technologique commence à ouvrir la voie.

Technologie pour capter la radiation infrarouge : la conversion thermo-radiative

Le principal défi pour exploiter l’énergie thermique émise par la Terre est de nature purement ingénierie et physique appliquée : comment transformer ce flux infrarouge dispersé et de faible énergie en électricité utilisable ? Divers groupes de recherche ont travaillé sur cette problématique, et la plupart des avancées se regroupent sous le concept de cellules ou dispositifs thermo-radiants.

Les cellules thermo-radiatives fonctionnent selon un principe opposé à celui des cellules solaires photovoltaïques classiques. Alors que ces dernières absorbent la lumière visible du Soleil pour générer un courant électrique, les thermo-radiatives fonctionnent la nuit : leur mécanisme consiste à émis les photons infrarouges de la surface terrestre vers l’espace, et grâce à cette « émission contrôlée » et à la différence de température, elles réussissent à produire un courant électrique modeste, mais réel.

Cet argument a été expérimentalement démontré par une équipe de l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA) en 2019. Cette équipe a développé et testé des prototypes de cellules thermo-radiatives capables de générer de l’électricité simplement en libérant de la chaleur vers le ciel. Cette avancée a marqué un changement de paradigme, car elle offre la possibilité de capter de l’énergie sans dépendre de la radiation solaire, complétant ainsi les systèmes solaires traditionnels.

Dispositifs et propositions technologiques pour capter l’énergie infrarouge nocturne

La littérature scientifique, ainsi que plusieurs articles spécialisés, détaillent diverses propositions pour réaliser l’idée de récolter l’énergie infrarouge de la Terre. Actuellement, les propositions les plus pertinentes peuvent être classées en deux grands axes, tous deux inspirés par les travaux du groupe de Harvard dirigé par Federico Capasso.

1. Systèmes de plaques chaudes-froides

Ces dispositifs se composent d’une plaque « chaude » (à température ambiante terrestre) et d’une plaque « froide » positionnée au-dessus, orientée vers le ciel. Cette deuxième plaque doit être faite de matériaux très efficaces dans l’émission de chaleur vers l’espace. La différence de température entre les deux plaques génère un petit courant continu. Des expériences réalisées à Oklahoma, aux États-Unis, suggèrent que cette méthode pourrait produire quelques watts par mètre carré dans des conditions optimales.

2. Dispositifs basés sur des nano-structures électroniques

Le second axe favorise l’utilisation de composants miniaturisés tels que des diodes et des antennes à l’échelle nanométrique. Ces éléments exploitent les différences de température entre eux — par exemple, en établissant que la diode soit plus chaude qu’une résistance ou une petite antenne — pour générer un flux de courant. Le défi majeur ici est de créer des matériaux et des designs capables de fonctionner avec les tensions extrêmement faibles que présente le champ infrarouge.

Les deux options, bien que distinctes dans leur mise en œuvre pratique, reposent sur des principes thermodynamiques universels : la génération de travail (dans ce cas, de l’électricité) est possible tant qu’il y a deux « foyers » thermiques à des températures différentes et que l’on conçoit un système capable d’extraire cette énergie de manière utile.

Avancées expérimentales et efficacité atteinte : Quelle énergie peut-on obtenir ?

Une des questions les plus fréquentes concernant ce concept est : peut-on réellement extraire une quantité utile d’électricité de la radiation infrarouge de la Terre ? Pour l’instant, la réponse est que l’efficacité demeure modeste, mais la technologie est en plein développement.

Les premiers prototypes documentés dans la littérature scientifique et reproduits dans plusieurs laboratoires ont réussi à atteindre 25 milliwatts par mètre carré dans des conditions nocturnes, un chiffre encore éloigné des besoins d’un foyer moyen ou d’une installation industrielle. Cependant, les simulations et les progrès dans les matériaux prévoient qu’il sera possible, dans quelques années, d’atteindre jusqu’à 50 watts par mètre carré (W/m²), surtout si des améliorations substantielles sont réalisées dans les semi-conducteurs utilisés et dans la nano-fabrication. Bien que ces valeurs ne permettent pas de remplacer, à elles seules, des systèmes solaires ou éoliens de grande envergure, elles ouvrent la porte à des applications spécifiques telles que l’alimentation en énergie de capteurs distribués, d’appareils IoT, de communications à distance et de systèmes nécessitant un approvisionnement constant et de faible puissance.

Une autre avantage remarqué est que, étant une source « nocturne », l’énergie infrarouge peut réduire le besoin de stockage dans des batteries dans les systèmes photovoltaïques classiques. Cela signifie que durant la journée, l’énergie solaire est exploitée, tandis que la nuit, le même panneau ou système peut continuer à produire une quantité modeste d’électricité en émettant la chaleur accumulée.

Avantages uniques et applications potentielles de l’énergie infrarouge terrestre

Les technologies pour capter l’énergie infrarouge présentent des avantages distinctifs par rapport à d’autres sources renouvelables :

• Production nocturne : Leur plus grande vertu est de fonctionner lorsque les panneaux solaires classiques ne produisent pas, répondant ainsi à la demande nocturne sans nécessiter de grands dispositifs de stockage.

• Fonctionnement passif : L’absence de parties mobiles réduit l’entretien, augmente la robustesse et prolonge la durée de vie.

• Possibilité d’intégration architecturale : Le design mince et adaptable des cellules thermo-radiatives facilite leur installation sur des toits, des routes, des infrastructures existantes et même sur des panneaux solaires traditionnels.

• Complémentarité : Elles ne remplacent pas, mais complètent les solutions actuelles, notamment dans des applications à faible demande et dans des endroits où l’énergie solaire n’est pas viable du fait des conditions climatiques, de la latitude ou de l’architecture urbaine.

Les chercheurs ont également proposé d’utiliser ces systèmes dans des satellites, des stations météorologiques, des bases distantes, de l’éclairage nocturne et, surtout, comme support à l’électronique distribuée de l’Internet des objets, réduisant ainsi la dépendance aux batteries ou aux recharges fréquentes.

Défis technologiques, matériaux et économiques à surmonter

Malgré des avancées expérimentales prometteuses, les défis technologiques restent considérables. Parmi les plus marquants, on trouve :

• Efficacité limitée : Réussir à obtenir des matériaux et des configurations permettant de capter et de transformer le maximum de radiation possible, dépassant les barrières actuelles d’une efficacité énergétique de 0,001 à 0,005 % par rapport aux panneaux solaires (qui se situent entre 20 et 25 %).

• Matériaux avancés : Il est nécessaire d’investir dans la recherche de nouveaux semi-conducteurs et éléments qui fonctionnent efficacement à des différences de températures très basses (parfois moins de 30 °C).

• Vitesse et durabilité : Les diodes et composants doivent opérer à de très hautes fréquences (des processus de on/off se produisent des milliards de fois par seconde), sans perte de performance dans le temps et en résistant à des conditions environnementales variables.

• Scalabilité et coût : Faire passer la technologie du laboratoire à l’échelle industrielle implique d’optimiser les processus de fabrication et de réduire le coût unitaire, de manière à ce qu’ils soient compétitifs par rapport à d’autres alternatives renouvelables.

À cela s’ajoute que, comme le montrent les articles techniques, la dépendance à des facteurs climatiques locaux implique que le rendement est saisonnier et géographiquement variable. Les meilleurs résultats surviennent dans des régions où les nuits sont sèches et froides, ou là où le sol se réchauffe rapidement pendant la journée.

Exemples et expériences : Résultats obtenus jusqu’à présent

Pour comprendre le potentiel réel de cette technologie et ses applications immédiates, il est important de revenir sur quelques chiffres et découvertes marquantes des recherches publiées ces dernières années :

• À Lamont (Oklahoma, États-Unis), la différence de température entre les plaques a permis de calculer une production pouvant atteindre 2,7 watts par mètre carré en moyenne annuelle, équivalant à environ 0,06 kWh par m² et par jour.

• Des expériences menées en Australie et dans d’autres laboratoires internationaux ont prouvé qu’en utilisant des semi-conducteurs adaptés à la bande infrarouge, il est possible d’extraire un courant électrique de la chaleur résiduelle pendant la nuit. Cependant, l’efficacité reste 100 000 fois inférieure à celle des panneaux solaires photovoltaïques en silicium.

• Des systèmes hybrides, qui intègrent des cellules thermo-radiatives sur des panneaux solaires thermiques (comme les systèmes de chauffage de l’eau), permettent de produire de l’électricité supplémentaire durant la nuit sans augmenter considérablement le coût d’installation.

Un des aspects les plus prometteurs est la possibilité de « recycler » la chaleur émise par tout objet, pas seulement le sol : bâtiments, routes, machines industrielles, toits, voire même des personnes émettent de la radiation infrarouge pouvant être captée et transformée en petites quantités d’énergie électrique.

L’intérêt pour cette technologie a augmenté, étant donné l’urgence de diversifier et de garantir un approvisionnement énergétique renouvelable. Les énergies traditionnelles dépendent des conditions climatiques et du moment de la journée, tandis que les cellules thermo-radiatives offrent une source continue et prévisible durant la nuit, étant particulièrement précieuses dans les régions avec une forte demande nocturne pour des systèmes critiques tels que l’éclairage, les communications ou le refroidissement.

En outre, les avancées dans les matériaux et la réduction des coûts semblent indiquer que cette technologie pourrait avoir un rôle complémentaire dans le système énergétique de demain. L’intégration dans les bâtiments, les infrastructures et les applications éloignées représente une stratégie prometteuse, visant à toujours améliorer l’efficacité tout en réduisant les coûts de production.

Mon avis :

L’énergie infrarouge terrestre, bien que prometteuse, présente des défis majeurs en termes d’efficacité de conversion (actuellement modeste) et coût. Les technologies émergentes, telles que les cellules thermo-radiantes, pourraient répondre aux besoins nocturnes, mais leur développement nécessite des matériaux avancés et une réduction des coûts de fabrication pour être compétitives face aux énergies renouvelables établies.

Les questions fréquentes :

Que signifie l’énergie infrarouge terrestre ?

L’énergie infrarouge terrestre fait référence à la chaleur que la Terre émet naturellement vers l’espace, principalement sous forme de radiations infrarouges pendant la nuit. Ce phénomène pourrait être exploité comme une nouvelle source d’énergie renouvelable, complémentaire aux systèmes solaires et éoliens.

Comment fonctionne la technologie de conversion thermo-radiative ?

La conversion thermo-radiative repose sur des dispositifs appelés cellules thermo-radiantes. Contrairement aux cellules photovoltaïques qui utilisent la lumière du soleil, ces cellules émettent des photons infrarouges vers l’espace, produisant ainsi une faible mais réelle quantité d’électricité grâce à la différence de température entre la surface terrestre et l’espace froid.

Quels sont les défis à surmonter pour l’exploitation de cette énergie ?

Les principaux défis incluent l’amélioration de l’efficacité des matériaux utilisés, la nécessité de recherches supplémentaires sur les semiconducteurs adaptés aux températures basses et la réduction des coûts de production pour rendre cette technologie compétitive par rapport aux sources d’énergie renouvelables existantes.

Quels sont les avantages de l’énergie infrarouge par rapport aux autres sources d’énergie ?

L’énergie infrarouge peut être produite la nuit, offrant une continuité de la fourniture d’énergie sans nécessiter de grandes infrastructures de stockage. De plus, elle fonctionne de manière passive, requérant peu de maintenance, et peut être intégrée dans des structures existantes, comme des toits ou des systèmes solaires conventionnels.