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Solid-state reactions for thermal energy storage

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Un stockage de l’énergie amélioré qui devrait faciliter l’adoption des technologies renouvelables

Une transition vers une économie à faibles émissions de carbone réussie est indissociable d’un développement des sources d’énergie renouvelables et d’une optimisation de l’efficacité énergétique. Une des clés pour y parvenir est le stockage de l’énergie thermique (SET), qui peut contribuer à garantir un approvisionnement constant en électricité tout en remédiant aux disparités entre l’offre et la demande d’énergie.

Changement climatique et Environnement

Actuellement, trois types de procédés sont étudiés pour le stockage de l’énergie thermique: sensible, latent et thermochimique. Les processus thermochimiques permettent de stocker une plus grande quantité d’énergie. Toutefois, ils s’assortissent d’une plus grande complexité des systèmes de SET et par conséquent d’une augmentation des coûts. Le projet SOLSTORE a été entrepris avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie. Dans le cadre de cette initiative, des chercheurs ont étudié le développement de nouveaux matériaux et de technologies innovantes pour un stockage rentable, efficace et ultra-compact de l’énergie thermique à haute température (300-800 °C). Leurs travaux incluaient l’analyse des réactions chimiques réversibles à l’état solide pouvant être mises à profit pour des applications dans le monde réel, par exemple pour l’énergie solaire concentrée. L’objectif était de simplifier les technologies de SET et d’en réduire les coûts.

Des avantages multiples

Recourir aux réactions solide-solide présente de nombreux avantages, comme, par exemple, des mécanismes de réaction simplifiés par comparaison avec d’autres types de stockages thermochimiques qui impliquent des réactions gaz-solide. «Ils permettent de concevoir des systèmes de stockage plus simples et facilitent le contact direct des matériaux stockés avec les fluides de transfert de chaleur. Ils ne requièrent donc aucun échange de chaleur et sont par conséquent moins onéreux», explique la Dre Stefania Doppiu, chercheuse associée auprès du Energy Cooperative Research Centre (CIC Energigune) en Espagne. Les chercheurs ont identifié et évalué plusieurs réactions à l’état solide qui fonctionnent avec une large gamme de températures et semblent prometteuses pour une utilisation dans le cadre des études expérimentales du SET. L’étude approfondie de deux systèmes de natures différentes (métallique et à base de sels) a mis en évidence à la fois le potentiel et les limites de ces réactions qui sont fortement dépendantes de la nature des matériaux réagissant. L’étude a également mis en lumière le lien entre la microstructure et la réactivité, identifiant les configurations de microstructure les plus adaptées pour maximiser la réactivité à l’état solide. Les chercheurs de SOLSTORE vont ensuite axer leurs travaux sur l’étude des matériaux à plus grande échelle afin de tester leur réaction dans des conditions plus réalistes. La manipulation de grandes quantités de matériaux à intégrer dans un système de SET contribuera également à réduire les coûts.

Une efficacité accrue

Les résultats ont démontré la possibilité d’obtenir une grande capacité de stockage, une bonne conductivité thermique, la stabilité mécanique et chimique et la réversibilité complète des cycles de charge et décharge. «Nous avons identifié une réaction réversible très prometteuse fonctionnant à environ 500 °C avec une capacité élevée de stockage d’énergie thermique (200 J/g), une cinétique rapide et des caractéristiques de cycle et de stabilité adéquates», explique la Dre Doppiu. Intégrer le SET aux centrales électriques conventionnelles pourrait contribuer à améliorer la gestion du réseau, apportant une meilleure capacité de régularisation, un plus haut degré de fiabilité opérationnelle, et un niveau de sécurité de l’approvisionnement supérieur. Selon la Dre Doppiu: «Pour les centrales électriques à concentration solaire, le SET représente un des éléments clés pour améliorer l’efficacité énergétique et la rentabilité, ainsi que pour stabiliser la production d’énergie solaire.» SOLSTORE pourrait également jouer un rôle majeur dans les processus de chauffage industriel. «Le SET pourrait améliorer la gestion des procédés combinés chaleur / électricité sur site, ainsi que l’efficacité des procédés de génération de vapeur; il pourrait également contribuer à la récupération et à la réutilisation de la chaleur dans les processus par lots exo/endothermiques», souligne encore la Dre Doppiu.

Mots‑clés

SOLSTORE, stockage de l’énergie thermique (SET), réactions, état solide, thermochimique, énergie solaire concentrée, économie à faible consommation de carbone

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