Des chercheurs internationaux en énergie solaire thermique ont testé avec succès CONTISOL, un réacteur solaire fonctionnant à l'air, capable de fabriquer n'importe quel combustible solaire comme l'hydrogène et de fonctionner de jour comme de nuit - car il utilise de l'énergie solaire concentrée (CSP) qui peut inclure le stockage d'énergie thermique.

La promesse des combustibles solaires est que nous pourrions avoir des combustibles sans carbone comme l'hydrogène sans les émissions de carbone néfastes pour le climat qu'il faut pour fabriquer de l'hydrogène à partir du gaz naturel aujourd'hui, ainsi, perfectionner les réacteurs solaires est la clé d'un avenir énergétique 100 % propre.

Au lieu de brûler un combustible fossile pour la chaleur nécessaire au processus de thermochimie, pour les réactions chimiques comme la séparation de H2 (hydrogène) de H2O, les scientifiques ont testé divers types de réacteurs chauffés par la forme thermique de l'énergie solaire, CSP, qui utilise des miroirs pour concentrer le flux solaire sur un récepteur.

Pour atteindre la chaleur zéro carbone pour les réactions thermochimiques - qui peuvent fonctionner à des températures aussi élevées que 1, 500 C - les experts considèrent la chaleur directe du CSP comme une source d'énergie propre plus efficace que l'électricité photovoltaïque ou éolienne.

Il y aura un apport illimité de lumière solaire au cours des siècles, et aucune conséquence climatique lorsque la thermochimie est pilotée par l'énergie solaire. Le seul inconvénient par rapport à la combustion d'énergie fossile, c'est que le soleil se couche la nuit.

Solaire de nuit

Maintenant, un groupe de scientifiques du Centre aérospatial allemand (DLR) soutenu par le Laboratoire de technologie des aérosols et des particules du CPERI/CERTH Grèce ont construit et testé une nouvelle conception de réacteur solaire qui inclut le stockage afin qu'il puisse fournir de la chaleur 24 heures sur 24 comme le courant méthode à feu fossile, mais sans les émissions.

Leur papier, Fabrication et test du CONTISOL :Un nouveau récepteur-réacteur pour la thermochimie solaire diurne et nocturne a été publié en décembre 2017, à Génie Thermique Appliqué .

"Les réacteurs solaires dans le passé ont eu le problème de ce que vous faites la nuit quand vous n'avez pas de soleil, ou même quand les nuages ​​passent, " a déclaré l'auteur principal de l'article, Justin Lapp, anciennement de DLR, et maintenant professeur adjoint de génie mécanique à l'Université du Maine.

Lapp a expliqué que lorsque la température baisse, il peut être nécessaire d'arrêter la réaction ou de ralentir le débit des réactifs, réduire la quantité de produits que vous sortez. Si le réacteur s'arrête la nuit, il se refroidit, non seulement gaspiller la chaleur résiduelle, mais repartir de rien le lendemain matin.

Comment ça fonctionne

"Donc, l'idée principale de CONTISOL était de construire deux réacteurs ensemble, " dit-il. " Un endroit où la lumière du soleil fait directement un traitement chimique. L'autre côté pour stocker l'énergie. Dans les canaux chimiques, les températures élevées du matériau entraînent la réaction chimique et vous obtenez un changement de réactifs en produits dans ces canaux, et dans les canaux d'air, l'air plus frais entre à l'avant et l'air plus chaud sort à l'arrière."

En combinant des capacités de stockage avec un réacteur thermochimique solaire direct, ils obtiennent le meilleur des deux mondes, des températures stables 24 heures sur 24 mais aussi la source de chaleur la plus efficace pour effectuer des réactions car elle est directe, donc "vous n'avez pas autant de pertes avec plusieurs étapes entre la lumière du soleil et la chimie qui se produit."

CONTISOL utilise un réservoir à ciel ouvert, sur la base du réservoir d'air volumétrique exploité dans sa tour solaire d'essai à Julich par le DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt), qui peut chauffer l'air à 1, 100 C. Là, un réservoir en plein air prend l'air de l'atmosphère et le tire à travers de petits canaux dans un matériau monolithique.

"Le nôtre est un récepteur d'air volumétrique comme celui-ci, " dit Lapon. " Le centre est un monolithe extrudé; un grand cylindre avec de nombreux canaux rectangulaires plus petits. Une rangée de canaux sur deux est utilisée pour la chimie ou pour faire passer l'air à travers le monolithe. Ces canaux sont ouverts à l'avant pour permettre à la lumière du soleil d'entrer et de réchauffer ce matériau monolithique."

Le test d'origine utilisait du carbure de silicium pour le récepteur multicanal, mais les scientifiques prévoient d'essayer l'Inconel, un alliage métallique plus dur pour le récepteur.

"Le carbure de silicium est un peu difficile à fabriquer car il ne peut pas être usiné aussi bien qu'un métal. Il peut donc être difficile d'obtenir des tolérances très serrées. Ce n'est pas trop cher mais ce n'est pas le matériau le plus facile à travailler dans la fabrication, " a-t-il raconté.

Des températures comprises entre 800 et 900 °C sont nécessaires pour réorganiser les molécules d'eau ou d'hydrocarbures dans la plupart des combustibles solaires, c'était donc l'objectif de température. Le réacteur prototype a fonctionné avec succès à 850 C à l'échelle du laboratoire :5 kW.

CONTISOL a été testé à Cologne, l'Allemagne utilisant des « soleils » simulés, plutôt qu'un véritable champ solaire, et le stockage et l'échangeur de chaleur ont également été simulés, comme le réacteur lui-même est l'innovation.

"Cette balance est un prototype scientifique simplement pour que nous comprenions comment la contrôler. Elle ne serait pas commercialisée à 5 kW, " dit-il. " Commercialement, 1-5 MW serait à peu près le plus petit pour les réacteurs à l'échelle industrielle, et ils pourraient atteindre 100 MW ou même plus."

"Dans notre cas, nous faisons du reformage du méthane à titre d'exemple. Mais ce n'est pas lié au méthane, il pourrait fabriquer n'importe quel nombre de combustibles solaires. L'une d'entre elles est intéressante :la production d'hydrogène à partir d'acide sulfurique en tant que matériau de cyclage. Lorsque vous évaporez l'acide sulfurique à environ 400 C en vapeur et SO3, ce n'est pas corrosif, vous pouvez donc même utiliser des composants en acier inoxydable."

Pourquoi l'air comme fluide caloporteur ?

Le transfert de chaleur dans l'air ouvre des options pour des systèmes de stockage à haut rendement comme le stockage thermochimique ou le stockage de chaleur latente dans le cuivre ou les alliages de cuivre qui fondent entre 900 et 1 100 °C.

Les avantages de l'air sont qu'il est accessible, librement disponible et abondante. L'air n'est pas corrosif, et toute fuite serait sans conséquence, il n'a donc pas besoin d'être contenu dans une boucle fermée, il expliqua.

"Il peut aspirer de l'air juste hors de l'atmosphère, puis le faire passer à travers l'échangeur de chaleur pour stocker la chaleur. Et puis il peut évacuer cet air une fois qu'il est froid."

Avec d'autres matériaux de transfert de chaleur, "Vous devez vous assurer que le système est scellé partout et si vous en perdez, vous devez en acheter plus pour le rattraper. Avec l'air, vous n'avez pas ce problème."

Contrairement à de nombreux médias de transfert de chaleur, qui peuvent changer leur structure moléculaire à haute température, l'air reste stable à haute température.

Cependant, un réservoir d'air semble exclure les réactions chimiques utilisant des liquides comme l'eau. Pas si, dit Lapon.

"Il y a très peu de liquides qui restent liquides dans la plage de 600 à 800 degrés qui nous intéresse, " a-t-il expliqué. " La plupart des réactions chimiques que nous traitons sont soit avec des gaz comme le méthane, soit avec des matériaux solides comme des réactions d'oxyde métallique.

Même le fractionnement de l'eau se fait à une température si élevée que l'eau n'est pas liquide, mais à la vapeur.

"L'eau entrant déjà sous forme de vapeur facilite grandement la conception du récepteur. Vous n'avez pas les problèmes de dilatation de la vapeur pendant son ébullition. Il est plus facile de le garder étanche à la vapeur qu'au liquide, " dit-il. Alors pour préparer l'eau à fendre, il serait d'abord bouilli à la vapeur directement dans la tour.

« Dans ces réacteurs solaires à haute température, le point central de la tour où tous les miroirs se concentrent est le meilleur pour la chimie à haute température. Nous obtenons un flux très élevé au centre pour atteindre 600 - 800 C. Mais il y a toujours un tas de radiations gaspillées autour de l'extérieur; il y a encore assez de lumière pour chauffer à 200 - 300 C, pas assez pour la chimie mais beaucoup pour évaporer l'eau en vapeur, " a souligné Lapp.

Les premiers réacteurs thermochimiques étaient nucléaires

La recherche sur l'utilisation de réacteurs pour effectuer de la thermochimie est née dans les années 60 avec l'énergie nucléaire, mais a été abandonné une fois que les chercheurs ont été incapables d'obtenir des réactions nucléaires pour atteindre les températures nécessaires. Très peu de conceptions de réacteurs nucléaires ont pu atteindre 800 C.

Mais plus récemment, les réacteurs solaires ont repris ces recherches en thermochimie, basé sur la chaleur solaire plutôt que nucléaire. Ils atteignent déjà des températures comprises entre 800 C et 1500 C à l'échelle pilote, en utilisant une lumière solaire très concentrée.

Les réacteurs solaires n'incluent pas le gros bloc d'alimentation d'une centrale CSP, qui est une centrale thermique à part entière produisant de l'électricité (sauf avec de la chaleur fournie par le soleil). Les réacteurs solaires n'ont pas besoin de la grosse turbine ou du générateur pour produire de l'électricité, mais ne consiste qu'en une tour, un champ solaire, un récepteur et la chambre de réaction. Pour ça, CONTISOL ajoute un système de stockage, transférer la chaleur de l'air dans l'échangeur de chaleur.

Pour produire de l'hydrogène par exemple, Un réacteur solaire de type CONTISOL comprendrait un champ solaire d'héliostats (miroirs), une tour, un réservoir d'air et le stockage de chaleur. Les miroirs refléteraient la lumière du soleil dans le récepteur d'air; chauffer l'air dans deux ensembles de petites chambres en dirigeant l'air vers la chambre de réaction pour la réaction thermochimique, ou au stockage de chaleur.

L'hydrogène pourrait alors être utilisé dans plus de réactions - si vous l'aviez stocké pour le garder au chaud pendant la nuit - ou vous le feriez sortir de la chambre de réaction dans la tour pour être compressé, remplir un réservoir, et le chasser.