Les ingénieurs du MIT ont mis au point une conception conceptuelle pour un système de stockage d'énergie renouvelable, comme l'énergie solaire et éolienne, et restituer cette énergie dans un réseau électrique à la demande. Le système peut être conçu pour alimenter une petite ville non seulement lorsque le soleil est levé ou que le vent est fort, mais autour de l'horloge.

La nouvelle conception stocke la chaleur générée par l'excès d'électricité provenant de l'énergie solaire ou éolienne dans de grands réservoirs de silicium fondu chauffé à blanc, et convertit ensuite la lumière du métal incandescent en électricité lorsque cela est nécessaire. Les chercheurs estiment qu'un tel système serait beaucoup plus abordable que les batteries lithium-ion, qui ont été proposés comme viables, bien que cher, méthode de stockage des énergies renouvelables. Ils estiment également que le système coûterait environ la moitié du prix du stockage hydroélectrique par pompage, la forme la moins chère de stockage d'énergie à l'échelle du réseau à ce jour.

« Même si nous voulions faire fonctionner le réseau avec des énergies renouvelables en ce moment, nous ne pourrions pas, parce que vous auriez besoin de turbines à combustible fossile pour compenser le fait que l'approvisionnement renouvelable ne peut pas être expédié à la demande, " dit Asegun Henry, le professeur agrégé en développement de carrière Robert N. Noyce au Département de génie mécanique. « Nous développons une nouvelle technologie qui, en cas de succès, résoudrait ce problème le plus important et critique en matière d'énergie et de changement climatique, à savoir, le problème de stockage."

Henry et ses collègues ont publié leur conception aujourd'hui dans le journal Sciences de l'énergie et de l'environnement .

Enregistrer les temps

Le nouveau système de stockage découle d'un projet dans lequel les chercheurs ont cherché des moyens d'augmenter l'efficacité d'une forme d'énergie renouvelable connue sous le nom d'énergie solaire concentrée. Contrairement aux centrales solaires conventionnelles qui utilisent des panneaux solaires pour convertir la lumière directement en électricité, l'énergie solaire concentrée nécessite de vastes champs d'énormes miroirs qui concentrent la lumière du soleil sur une tour centrale, où la lumière est convertie en chaleur qui est finalement transformée en électricité.

"La raison pour laquelle la technologie est intéressante est, une fois que vous avez fait ce processus de focalisation de la lumière pour obtenir de la chaleur, vous pouvez stocker la chaleur beaucoup moins cher que vous ne pouvez stocker l'électricité, ", note Henri.

Les centrales solaires à concentration stockent la chaleur solaire dans de grands réservoirs remplis de sel fondu, qui est chauffé à des températures élevées d'environ 1, 000 degrés Fahrenheit. Lorsque l'électricité est nécessaire, le sel chaud est pompé à travers un échangeur de chaleur, qui transfère la chaleur du sel en vapeur. Une turbine transforme ensuite cette vapeur en électricité.

"Cette technologie existe depuis un certain temps, mais l'idée a été que son coût ne sera jamais assez bas pour concurrencer le gaz naturel, " dit Henry. " Il y avait donc une poussée pour fonctionner à des températures beaucoup plus élevées, pour que vous puissiez utiliser un moteur thermique plus efficace et réduire les coûts."

Cependant, si les opérateurs devaient chauffer le sel bien au-delà des températures actuelles, le sel corroderait les réservoirs en acier inoxydable dans lesquels il est stocké. L'équipe d'Henry a donc recherché un milieu autre que le sel qui pourrait stocker la chaleur à des températures beaucoup plus élevées. Ils ont d'abord proposé un métal liquide et se sont finalement installés sur le silicium, le métal le plus abondant sur Terre, qui peut résister à des températures incroyablement élevées de plus de 4, 000 degrés Fahrenheit.

L'année dernière, l'équipe a développé une pompe capable de résister à une telle chaleur torride, et pourrait éventuellement pomper du silicium liquide à travers un système de stockage renouvelable. La pompe a la tolérance à la chaleur la plus élevée jamais enregistrée, un exploit qui est noté dans "Le Livre Guiness des records du monde". Depuis ce développement, l'équipe a conçu un système de stockage d'énergie qui pourrait intégrer une telle pompe à haute température.

"Soleil en boite"

Maintenant, les chercheurs ont présenté leur concept pour un nouveau système de stockage d'énergie renouvelable, qu'ils appellent TEGS-MPV, pour le stockage de l'énergie thermique dans le réseau photovoltaïque-multi-jonctions photovoltaïques. Au lieu d'utiliser des champs de miroirs et une tour centrale pour concentrer la chaleur, ils proposent de convertir l'électricité produite par toute source renouvelable, comme la lumière du soleil ou le vent, en énergie thermique, via le chauffage par effet Joule - un processus par lequel un courant électrique passe à travers un élément chauffant.

Le système pourrait être associé à des systèmes d'énergie renouvelable existants, comme les cellules solaires, pour capter l'excès d'électricité pendant la journée et la stocker pour une utilisation ultérieure. Envisager, par exemple, une petite ville de l'Arizona qui tire une partie de son électricité d'une centrale solaire.

"Dites que tout le monde rentre du travail, allumer leurs climatiseurs, et le soleil se couche, mais il fait encore chaud, " dit Henry. " A ce moment-là, le photovoltaïque ne va pas avoir beaucoup de rendement, il faudrait donc avoir stocké une partie de l'énergie du début de la journée, comme quand le soleil était à midi. Cet excès d'électricité pourrait être acheminé vers le système de stockage que nous avons inventé ici."

Le système consisterait en un grand fortement isolé, Réservoir de 10 mètres de large en graphite et rempli de silicium liquide, maintenu à une température "froide" de près de 3, 500 degrés Fahrenheit. Une banque de tubes, exposé à des éléments chauffants, relie ensuite cette cuve froide à une seconde, réservoir "chaud". Lorsque l'électricité des cellules solaires de la ville entre dans le système, cette énergie est convertie en chaleur dans les éléments chauffants. Pendant ce temps, le silicium liquide est pompé hors du réservoir froid et se réchauffe davantage lorsqu'il traverse le banc de tubes exposés aux éléments chauffants, et dans le réservoir chaud, où l'énergie thermique est maintenant stockée à une température beaucoup plus élevée d'environ 4, 300 F.

Lorsque l'électricité est nécessaire, dire, après le coucher du soleil, le silicium liquide chaud - si chaud qu'il brille d'un blanc éclatant - est pompé à travers un ensemble de tubes qui émettent cette lumière. Cellules solaires spécialisées, dit photovoltaïque multijonction, puis transforme cette lumière en électricité, qui peuvent être alimentés au réseau de la ville. Le silicium maintenant refroidi peut être pompé dans le réservoir froid jusqu'au prochain cycle de stockage, agissant efficacement comme une grande batterie rechargeable.

"L'un des noms affectueux que les gens ont commencé à appeler notre concept, est 'soleil dans une boîte, ' qui a été inventé par ma collègue Shannon Yee de Georgia Tech, " dit Henry. " C'est fondamentalement une source de lumière extrêmement intense qui est toute contenue dans une boîte qui emprisonne la chaleur. "

Une clé de stockage

Henry dit que le système nécessiterait des réservoirs suffisamment épais et résistants pour isoler le liquide fondu à l'intérieur.

"Le truc brille à blanc à l'intérieur, mais ce que vous touchez à l'extérieur doit être à température ambiante, " dit Henri.

Il a proposé que les réservoirs soient en graphite. Mais on craint que le silicium, à des températures aussi élevées, réagirait avec le graphite pour produire du carbure de silicium, qui pourrait corroder le réservoir.

Pour tester cette possibilité, l'équipe a fabriqué un réservoir miniature en graphite et l'a rempli de silicium liquide. Lorsque le liquide a été maintenu à 3, 600 F pendant environ 60 minutes, du carbure de silicium s'est formé, mais au lieu de corroder le réservoir, il a créé un mince, doublure de protection.

« Il adhère au graphite et forme une couche protectrice, empêcher toute réaction ultérieure, " dit Henry. " Vous pouvez donc construire ce réservoir en graphite et il ne sera pas corrodé par le silicium. "

Le groupe a également trouvé un moyen de contourner un autre défi :comme les réservoirs du système devaient être très grands, il serait impossible de les construire à partir d'un seul morceau de graphite. S'ils étaient plutôt fabriqués à partir de plusieurs pièces, ceux-ci devraient être scellés de manière à empêcher le liquide en fusion de s'échapper. Dans leur papier, les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient empêcher toute fuite en vissant des morceaux de graphite avec des boulons en fibre de carbone et en les scellant avec du grafoil, du graphite flexible qui agit comme un scellant à haute température.

Les chercheurs estiment qu'un seul système de stockage pourrait permettre à une petite ville d'environ 100, 000 foyers entièrement alimentés en énergie renouvelable.

Henry souligne que la conception du système est géographiquement illimitée, ce qui signifie qu'il peut être placé n'importe où, quel que soit le paysage d'un endroit. Cela contraste avec l'hydroélectricité pompée - actuellement la forme de stockage d'énergie la moins chère, ce qui nécessite des emplacements pouvant accueillir de grandes cascades et barrages, afin de stocker l'énergie des chutes d'eau.

"C'est géographiquement illimité, et est moins cher que l'hydroélectricité pompée, ce qui est très excitant, " dit Henry. " En théorie, c'est la clé de voûte pour permettre aux énergies renouvelables d'alimenter l'ensemble du réseau."