Si le moulin à vent, apparu il y a 2 000 ans, est l’ancêtre de éolienne moderne, le feu de cheminée et le poêle à bois sont quant à eux les prédécesseurs plus vieux encore des panneaux solaires. Tout comme ces derniers, les arbres et les plantes transforment la lumière en source d’énergie utile à l’humain. La combustion du bois et d’autres biomasses a apporté, au cours de l’histoire, l’énergie thermique nécessaire à la cuisine, au chauffage, au nettoyage et à l’éclairage des foyers.

La photosynthèse est également, et depuis toujours, un acteur invisible de la puissance mécanique : elle est à l’origine de l’énergie humaine et animale, ainsi que des matériaux utilisés dans la construction de moulins à eau et à vent. Ni le moulin à vent ni le poêle à bois ne produisaient à l’origine d’électricité, mais aujourd’hui, tous deux peuvent être modifiés pour le faire. Il suffit de relier un générateur électrique au moulin à vent et un générateur thermoélectrique au poêle à bois.

Générateur thermoélectrique

Les générateurs thermoélectriques sont très proches des générateurs « photoélectriques », désormais appelés générateurs « photovoltaïques » ou cellules solaires photovoltaïques. Un générateur photovoltaïque transforme la lumière en électricité, et un générateur thermoélectrique transforme la chaleur en électricité. ¹

Les générateurs thermoélectriques sont des modules très compacts composés d’éléments semi-conducteurs reliés les uns aux autres par des bandes de métal, mais entourés de plaques isolantes en céramique diffusant uniquement la chaleur. ² On peut les acheter librement auprès de fabricants tels que Hi-Z, Tellurex, Thermalforce et Thermomanic.

Fixer un générateur thermoélectrique à un poêle à bois produira de l’électricité à chaque utilisation de l’appareil pour cuisiner, chauffer une pièce ou de l’eau. Lors des expériences utilisant les prototypes décrits ci-dessous, la puissance du courant générée par chaque module varie entre 3 et 19 watts.

Comme avec des panneaux solaires, plusieurs générateurs peuvent être reliés parallèlement et en série pour générer autant de tension et de puissance que nécessaire, à condition bien sûr de ne pas recouvrir entièrement la surface du poêle. Et comme avec des panneaux solaires, le courant généré est contrôlé à l’aide d’un régulateur de charge puis conservé dans une batterie, afin que de l’énergie soit disponible même lorsque l’appareil n’est pas allumé. Un poêle thermoélectrique est généralement utilisé pour alimenter des appareils à courant continu basse tension, pour éviter la perte d’énergie lors de l’utilisation d’un convertisseur de puissance.

Les poêles thermoélectriques pourraient être utilisés dans de nombreux pays. L’hémisphère sud est la première cible des recherches menées, près de 3 milliards de personnes (40 % de la population mondiale) dépendant encore de la combustion de biomasse pour la cuisine et l’accès à l’eau chaude. Certains foyers dépendent également du poêle ou du feu de cheminée pour l’éclairage (1,3 milliard de personnes n’ont pas accès à l’électricité) et le chauffage pendant une partie de l’année. Mais les sociétés plus développées font également l’objet de recherches, les poêles et feux de cheminée ayant particulièrement gagné en popularité, notamment en dehors des espaces urbains.

100 % efficace

Depuis la toute première description de l’effet thermoélectrique par Thomas Seebeck en 1821, les générateurs thermoélectriques sont critiqués pour leur faible rendement d’électricité. ³⁴⁵⁶ De nos jours, la puissance électrique des générateurs n’est que de 5 ou 6 %, soit près de trois fois moins que les panneaux solaires les plus couramment utilisés. ⁴

Cependant, l’efficacité électrique d’un générateur thermoélectrique importe peu lorsqu’il est relié à un poêle. Si un générateur ne transforme que 5 % de la chaleur d’un poêle en électricité, les autres 95 % sont toujours libérés sous forme chaleur. Si le poêle sert à chauffer une pièce, il n’y a aucune perte énergétique : il continue à remplir sa mission originelle. L’efficacité totale du système (chaleur + électricité) est proche de 100 % et il n’y a aucune perte énergétique. Avec un poêle approprié, la chaleur libérée peut aussi servir à cuisiner ou à chauffer l’eau.

Plus fiable que les panneaux solaires

Les générateurs thermoélectriques et les panneaux solaires ont beaucoup de points positifs en commun : ils sont modulaires, ne requièrent que peu d’entretien, n’ont pas de pièces mobiles, sont silencieux et durent très longtemps. ⁷ Cependant, les générateurs thermoélectriques ont d’autres avantages intéressants par rapport aux panneaux solaires, pour peu qu’il y ait une source de chaleur (non électrique) régulièrement utilisée dans le foyer.

Même si les générateurs sont environ trois fois moins efficaces que les panneaux solaires, les poêles thermoélectriques représentent une source d’énergie plus fiable, car moins dépendante de la météo, des saisons et de l’heure. Dans le jargon, on dit que les poêles thermoélectriques ont un « facteur de charge » plus élevé que les panneaux solaires.

Même si un poêle n’est utilisé que pour cuisiner ou pour chauffer l’eau, le générateur assure une production d’énergie fiable et durable, quel que soit le climat. De plus, la production énergétique d’un poêle thermoélectrique correspond bien souvent aux besoins énergétiques des propriétaires : les périodes où le poêle est utilisé sont généralement les périodes où le plus d’électricité est consommée. Les panneaux solaires, à l’inverse, ont une production faible, voire nulle, durant les périodes de forte demande énergétique.

Remarque : ces avantages disparaissent lorsque les générateurs thermoélectriques sont directement alimentés par la chaleur solaire. Les générateurs thermoélectriques solaires (ou « STEGS » en anglais pour Solar Thermoelectric Generators), qui récupèrent la chaleur des rayons du soleil, ne compensent pas leur faible efficacité par leur fiabilité, car ils dépendent de la météo tout autant que les panneaux solaires. ⁸⁹¹⁰

De plus petites batteries

La batterie d’un système thermoélectrique nécessite une plus petite capacité de stockage énergétique que celle d’un système solaire qui doit compenser les nuits, les saisons moins ensoleillées ou les jours pluvieux. La batterie ne doit assurer la production d’électricité qu’entre deux utilisations du poêle, il n’est donc pas nécessaire d’ajouter d’autres générateurs pour compenser les périodes de faible production.

Il est possible d’utiliser à la fois des panneaux solaires et des poêles thermoélectriques pour obtenir un système durable et autonome ne nécessitant que peu de stockage d’énergie. Un tel système hybride fonctionne parfaitement avec un poêle qui ne sert qu’à chauffer des pièces. Les générateurs thermoélectriques produisent la majorité de l’électricité en hiver et les panneaux solaires prennent le relais pendant la période estivale.

Moins cher à installer, plus facile à recycler

Les générateurs thermoélectriques sont aussi plus faciles à installer que les panneaux solaires. Nul besoin de construire une structure sur le toit et un lien avec le réseau, étant donné que l’intégralité du système de production est dans la maison. Cela évite aussi les vols, un problème majeur dans certaines régions.

Tous ces avantages peuvent rendre l’énergie produite par les poêles électriques moins chère que celles des panneaux solaires. La fabrication de batteries, générateurs et supports demande moins d’énergie, de ressources et de finances.

Concernant la durabilité, les modules thermoélectriques présentent un autre avantage : contrairement aux panneaux solaires, ils sont relativement faciles à recycler. Même si les cellules solaires en silicium sont recyclables, elles sont entourées d’une pellicule en plastique (généralement en « EVA » ou en polymère d’éthylène ou d’acétate de vinyle), nécessaire au bon fonctionnement des générateurs sur le long terme. ¹¹ Ôter cette couche sans détruire les cellules de silicium est techniquement possible, mais tellement complexe que le recyclage perd tout son intérêt financier et énergétique. ¹²¹³ Les modules thermoélectriques de leur côté ne contiennent aucune forme de plastique. ¹⁴¹⁵¹⁶

Refroidir les générateurs

L’efficacité électrique d’un générateur thermoélectrique ne dépend pas uniquement du générateur en lui-même. Elle dépend pour beaucoup de la différence de température entre le côté chaud et le côté froid du générateur. En réduisant de moitié l’écart de température entre les deux côtés, on réduit de trois quarts la quantité d’électricité produite. La gestion de la température des générateurs est donc très importante pour générer plus de puissance avec moins de générateurs.

D’un côté, cela implique de trouver la partie la plus chaude d’un poêle pour y fixer les générateurs, à condition qu’ils en supportent la chaleur. La température de surface des poêles varie généralement entre 100 et 300 degrés Celsius ; or les générateurs en tellurure de bismuth (les moins chers et plus efficaces) résistent à des températures continues entre 150 et 350 degrés, selon le modèle.

D’un autre côté, la gestion thermique consiste aussi à réduire le plus possible la température du côté froid. Cette réduction peut se faire soit par convection forcée, qui implique l’utilisation de ventilateurs et de pompes électriques, soit par convection naturelle, à l’aide de dissipateurs thermiques passifs sans charge parasite sur le système.

Les systèmes de refroidissements actifs sont généralement plus efficaces, malgré l’addition d’un ventilateur ou d’une pompe supplémentaire. Cependant, les systèmes passifs sont silencieux, plus fiables et moins onéreux que les systèmes actifs. De plus, le dysfonctionnement d’un ventilateur peut compromettre le système entier à cause d’une surchauffe. ¹⁷

Poêles thermoélectriques avec dissipateurs thermiques

Les premiers poêles thermoélectriques ont été construits au début des années 2000, même si les Soviétiques avaient mis au point un concept similaire dans les années 1950 avec des radios presque intégralement électriques, alimentées par des lampes à kérosène. ⁶ En 2004, une équipe de chercheurs libanais modernise un poêle à bois classique en fonte en y intégrant un générateur thermoélectrique de 56 mm sur 56 mm conçu spécialement. ¹⁸ Le poêle, utilisé pour cuisiner, chauffer de l’eau et des pièces est plutôt petit (52 x 44 x 29 cm) et pèse 40 kg.

Les chercheurs ont vissé une plaque en aluminium d’un centimètre d’épaisseur sur la partie la plus chaude du poêle, puis y ont fixé le générateur. Un grand dissipateur thermique (180 x 136 x 125 mm) en aluminium a ensuite été attaché au côté froid du générateur. En brûlant 2,5 kg de pin par heure, ils ont obtenu une charge électrique moyenne de 4,2 watts. Faire fonctionner ce poêle pendant 10 heures par jour (plus phase de chauffage) fournirait donc 42 watts-heures d’électricité à un foyer libanais rural, ce qui est suffisant pour couvrir les besoins basiques.

On peut ajouter plus de générateurs et de dissipateurs thermiques afin d’augmenter la quantité d’énergie produite, mais les générateurs supplémentaires auront un rendement moins élevé étant donné qu’ils seront placés à des zones à température moins élevée. On peut également augmenter la production d’énergie en utilisant un dissipateur thermique plus grand ou plus onéreux dont les matériaux présentent une meilleure conductivité thermique.

Les poêles thermoélectriques avec ventilateurs

À ce jour, la plupart des poêles thermoélectriques utilisent un ventilateur électrique pour refroidir le générateur, ainsi qu’un dissipateur thermique de petite taille. Bien que le ventilateur puisse casser et soit une charge parasite pour le système, il augmente aussi l’efficacité du poêle en ventilant de l’air chaud dans la chambre de combustion, réduisant de moitié la consommation de bois et la pollution créée. De plus, les poêles à ventilateur ne nécessitent pas de cheminée : un tuyau d’échappement horizontal suffit. ¹⁹ Ils pourraient donc réduire la consommation de bois et la pollution dans les régions rurales des pays du Sud où la population n’a pas accès à l’électricité ni les moyens de construire de cheminée.

Une étude menée sur une cuisinière thermoélectrique à convection forcée sur laquelle un générateur était fixé a trouvé une production de 4,5 watts, dont 1 watt alimentant le ventilateur. ²⁰ La production énergétique nette (3,5 watts) est moins élevée que celle d’un poêle thermoélectrique à dissipateur thermique (4,2 watts), mais la consommation de bois est divisée par deux. En effet, le générateur de la cuisinière générait 3,5 watts nets d’électricité en consommant 1 kg de bois par heure, contre 2,5 kg de bois pour 4,2 watts avec le dissipateur thermique.

Une cuisinière thermoélectrique similaire a été testée pendant 80 jours au Malawi et fut particulièrement appréciée par les utilisateurs, car elle produisait plus d’électricité que nécessaire. Au cours de cette période, entre 250 et 700 watts-heure d’électricité ont été produits par l’appareil, pour une consommation variante entre 100 et 250 watts-heure. ²¹

Des cuisinières thermoélectriques à ventilateur sont disponibles sur le marché, conçues notamment pour les randonneurs. On trouve par exemple les poêles BioLite, Termomanic et Termefor, dont la production énergétique est annoncée entre 3 et 10 watts, en fonction du modèle et du nombre de générateurs inclus. ¹⁷

Les poêles thermoélectriques à réservoirs

Les poêles thermoélectriques les plus efficaces sont ceux dont les générateurs sont directement refroidis par un réservoir d’eau. La résistance thermique de l’eau étant moins élevée que celle de l’air, utiliser un réservoir accélère le refroidissement. De plus, sa température ne peut dépasser les 100 degrés Celsius, ce qui réduit le risque de panne due à une surchauffe.

Lorsque les générateurs thermoélectriques sont refroidis grâce à l’eau, la chaleur « perdue » lors de la conversion énergétique ne sert pas à chauffer l’air ambiant, mais à chauffer l’eau utilisée lors de tâches domestiques. Les systèmes de refroidissement à l’eau de poêles thermoélectriques peuvent être actifs (pompe) ou passifs (aucune pièce mobile). ¹⁷

La plupart des poêles thermoélectriques avec un système de refroidissement passif à l’eau sont de petite taille et utilisés pour ne chauffer que de petites quantités d’eau. C’est d’ailleurs plus souvent une casserole qui est équipée de générateurs thermoélectriques que le poêle lui-même. Par exemple, le PowerPot est une casserole de randonnée disponible sur le marché et équipée, à sa base, d’un générateur thermoélectrique. Placée directement sur le feu, sa production d’énergie est annoncée entre 5 et 10 watts par heure.

Un plus grand poêle a également été conçu par des chercheurs français, s’inspirant de grands poêles à bois multi-usages marocains. ^1922232425 Les chercheurs ont installé huit générateurs thermoélectriques sous un réservoir intégré de 30 L, servant à la fois de dissipateur thermique pour le générateur et de réserve d’eau chaude pour le foyer. Le poêle, équipé d’un ventilateur électrique autonome, comporte également une double chambre de combustion pour en augmenter l’efficacité.

Un prototype a généré lors de tests près de 28 watts d’électricité à l’aide de deux générateurs, tout en ayant consommé 1,5 kg de bois pour la cuisine ou le chauffage. Le ventilateur ayant consommé 15 W, 13 W d’énergie peuvent alimenter d’autres appareils. Ce même poêle a chauffé 60 litres d’eau par heure. En fonction de la durée des deux sessions de cuisine chaque jour, entre 35 et 55 watts-heure d’électricité peuvent être emmagasinés dans une batterie. Les chercheurs ont pris en compte les pertes énergétiques causées par le régulateur de charge, la batterie 6 V et le ventilateur.

Les poêles thermoélectriques avec pompes

Il existe un inconvénient au refroidissement passif à l’eau. Tandis que la température de l’eau du réservoir augmente, la différence entre le côté chaud et le côté froid du générateur diminue et avec elle l’efficacité électrique. Cela suppose donc, pour ne pas perdre en efficacité, de laisser l’eau refroidir ou de la remplacer par de l’eau froide entre deux utilisations. Une pompe facilite ce processus.

En 2015, un prototype de poêle à bois utilisé pour la cuisine et le chauffage fut équipé de 21 générateurs thermoélectriques. Les générateurs, accompagnés d’un système de refroidissement à base d’eau pompée, produisirent entre 25 W d’électricité (pour 1 kg de pin par heure) et 166 W (pour 9 kg de bois par heure) en passant par 70 W (pour 4 kg bois/heure). ²⁶ La production individuelle des générateurs s’élevant à 7,9 W, cela représente près du double d’un poêle à système de refroidissement à air. La pompe consomme 5 W et le poêle est également équipé d’un ventilateur consommant 1 W fin d’augmenter l’efficacité de la combustion. ²⁷²⁸

Des chaudières à gaz thermoélectriques ?

Les générateurs thermoélectriques accompagnés d’un système de refroidissement à l’eau correspondent davantage aux infrastructures de sociétés industrialisées, en particulier dans les foyers qui profitent de chauffage centralisé. L’addition de générateurs augmenterait la production d’électricité pour répondre aux besoins d’une famille consommant beaucoup d’énergie. Cependant, ce système présente quelques failles. Tout d’abord, le chauffage centralisé ne concerne que le chauffage des pièces et de l’eau, mais pas la cuisine, ce qui diminue la fiabilité de la production sur une année complète. Ensuite, très peu de systèmes de chauffage centralisé fonctionnent à partir de combustion de biomasse. En effet, la plupart utilisent du gaz, de pétrole ou de l’électricité.

Évidemment, si la source de chaleur est électrique, il n’y a plus d’intérêt à y adjoindre un générateur thermoélectrique. Le système thermoélectrique est incompatible avec l’idée d’installations écologiques « high-tech » qui comprendraient une pompe à chaleur électrique pour chauffer le foyer, des plaques électriques pour cuisiner et une chaudière électrique pour chauffer l’eau.

Cependant, lorsque la source d’énergie est le pétrole ou le gaz, une chaudière thermoélectrique est tout autant une solution à bilan carbone faible qu’un panneau solaire photovoltaïque connecté au réseau. ²⁹ Un système de chauffage thermoélectrique ne rend pas un foyer indépendant des combustibles fossiles, mais des panneaux solaires photovoltaïques connectés au réseau non plus. Ce dernier dépend du réseau électrique (majoritairement alimenté par des combustibles fossiles) pour contrôler les pénuries et surplus énergétiques et compte généralement sur le chauffage centralisé à base de combustibles fossiles pour le chauffage du foyer et de l’eau.

Un système de chauffage thermoélectrique alimenté par des combustibles fossiles vaut largement celui d’une grande centrale de cogénération récupérant la chaleur issue de sa production d’électricité pour la redistribuer aux foyers pour le chauffage. Avec un système de chauffage thermoélectrique, la chaleur et l’électricité sont produites et utilisées in situ. Nul besoin de mettre en place une infrastructure pour distribuer la chaleur et l’électricité, comme avec une centrale de cogénération. Cela est plus efficient en ressources et évite des pertes énergétiques liées au transport qui représentent entre 10 et 20 % de la chaleur et entre 3 et 10 % de l’électricité (voire bien plus dans certaines régions).

Une centrale de cogénération est énergiquement plus efficace pour transformer la chaleur en électricité (entre 25 et 40 % de rendement), ce qui signifie qu’un système de chauffage thermoélectrique produit une plus grande proportion de chaleur et une moins grande proportion d’électricité. Mais cela est loin d’être un problème, car même en Europe, 80 % de l’électricité consommée en moyenne dans les foyers sert à alimenter le chauffage de l’eau et des pièces.