Des chercheurs de Penn State étudient des moyens innovants d'améliorer le stockage de l'énergie dans le but de mieux utiliser les technologies des énergies renouvelables.

"L'un des principaux obstacles qui nous empêchent de dépendre fortement des systèmes d'énergie renouvelable est que nous ne pouvons pas réglementer quand ils nous fournissent de l'électricité, " dit Derek Hall, professeur adjoint d'ingénierie énergétique à Penn State. "Idéalement, nous voulons trouver une sorte de technologie de stockage d'énergie qui puisse compléter les énergies renouvelables pour nous aider à passer à une infrastructure énergétique plus durable. »

Systèmes d'énergie renouvelable, comme l'éolien et le solaire, sont capables de produire suffisamment d'électricité pour alimenter des communautés entières. Cependant, ils s'appuient sur des processus naturels pour produire l'électricité nécessaire, et la nature peut être imprévisible. Cela se traduit par des flux et des reflux dans la production d'électricité renouvelable. A l'heure, l'éolien et le solaire sont capables de produire plus que le réseau ne peut en supporter, conduire les prix de l'électricité dans le négatif. Alternativement, si le vent s'arrête ou s'il y a une période de mauvais temps, arrêts de production et les prix montent en flèche.

Ce phénomène a inspiré Hall à commencer à explorer des solutions plus rentables, stratégies de stockage d'énergie par le biais de plusieurs projets de recherche en collaboration à Penn State.

Amélioration des chimies des batteries

Salle, avec Christophe Gorski, professeur agrégé de génie de l'environnement, et Sergueï Lvov, professeur d'ingénierie énergétique et minérale et de science et ingénierie des matériaux et directeur du programme de technologies électrochimiques à l'EMS Energy Institute, utilisent la chimie des ligands pour améliorer les performances électrochimiques des batteries moins chères, grâce à une subvention de l'Institut de l'énergie et de l'environnement (IEE) et de l'Institut de recherche sur les matériaux.

"Le but est d'essayer de trouver des matériaux moins chers pour fabriquer des batteries, " Hall a déclaré. " Le principal obstacle qui nous arrête est que la plupart des matériaux bon marché ont de faibles densités de stockage d'énergie, ce qui conduit à de mauvaises performances de la batterie."

Les ligands sont des ions ou des molécules qui se lient à un métal central. Ils sont couramment utilisés dans la nature et les processus biomimétiques pour modifier la réactivité des métaux, mais ils n'ont pas été utilisés auparavant dans les batteries à flux. Les chercheurs utilisent des matériaux tels que le cuivre, fer et chrome, qui sont moins chers que les matériaux traditionnels comme le lithium, cobalt et vanadium, et en les associant à des ligands dans le but de réduire considérablement les coûts d'investissement associés à la production de batteries.

L'équipe réalisera ensuite des expériences pour déterminer si les complexes métal-ligand atteignent des densités de stockage d'énergie élevées. Ils le feront en trois étapes :thermodynamique, cinétique, et des tests en cellule complète. A chaque étape, différents paramètres clés seront testés pour une batterie à flux redox typique. La phase thermodynamique explorera comment les ligands impactent le potentiel d'électrode, puis la phase cinétique testera la quantité de courant électrique pouvant être exploitée. Finalement, les chercheurs testeront tous les composants ensemble pour voir comment ils fonctionnent à l'unisson.

"Beaucoup de parties de cette histoire manquent encore, il s'agira donc en grande partie d'un projet de recherche fondamentale, " Hall a déclaré. "Il n'y a pas de véritable théorie unifiée expliquant comment les ligands ont un impact sur les réactions électrochimiques."

Les chercheurs espèrent que ce projet, intitulé "Nouvelles chimies de batterie à faible coût via des réactions d'oxydoréduction améliorées au ligand, " fournira les résultats préliminaires nécessaires pour obtenir des subventions plus importantes visant à développer de nouvelles chimies de batteries à flux et acquérir des informations fondamentales sur pourquoi et comment les ligands modifient les réactivités des complexes métalliques.

« Nous devons commencer à explorer toutes nos options pour le stockage de l'énergie, car le passage de notre infrastructure aux énergies renouvelables est une transition majeure qui est sensible au temps, ", a déclaré Hall. "Lorsque nous avons construit notre infrastructure de combustibles fossiles, nous l'avons fait pendant de nombreuses décennies. Maintenant, nous devons déterminer quels sont les meilleurs choix, ou les choix les plus fonctionnels, sommes, et ensuite en construire beaucoup très bientôt."

Transformer la chaleur résiduelle en électricité

Hall travaille également avec Bruce Logan, professeur de génie de l'environnement, et Matthieu Rau, professeur assistant en génie mécanique, sur la recherche financée par une autre subvention de démarrage qui cherche à améliorer les performances et les capacités de sortie de puissance des batteries à flux qui sont chargées de chaleur résiduelle plutôt que d'électricité.

« Si nous pouvions trouver un moyen de rediriger la chaleur perdue en électricité, même s'il s'agit d'un petit montant sur demande, cela peut aider à réduire notre besoin de plus de production d'électricité, " dit Hall.

Comme avec l'autre projet de Hall, cette équipe utilise une technologie de type batterie à flux, mais avec une méthode de recharge thermique unique. Le projet, intitulé "Augmentation des densités de puissance et de l'efficacité du cycle du roman, Batteries à flux thermiquement chargées utilisant des topologies avancées de cellules à flux, " essaiera d'améliorer la densité de puissance grâce à des conceptions de champ de flux de batterie distinctes. Ils le feront grâce à une modélisation informatique à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics.

"La technologie sur laquelle nous travaillons utilise une composition chimique spécifique où vous pouvez recharger la réaction chimique en utilisant la chaleur perdue au lieu de l'électricité, " a déclaré Rau.

Dans une batterie traditionnelle, une réaction chimique crée le potentiel de décharge, générer de l'électricité. Lorsque le processus est inversé pour recharger la batterie, une certaine électricité doit être utilisée pour le faire. Pour cette nouvelle technologie, les chercheurs rechargeront la batterie en séparant deux produits chimiques à l'aide de la chaleur résiduelle. Lorsque ces produits chimiques sont à nouveau combinés, ils vont créer une réaction chimique qui génère de l'électricité, éliminant ainsi le besoin d'utiliser de l'électricité supplémentaire pour recharger la batterie.

"Ce serait une technologie concurrente des méthodes traditionnelles de stockage d'énergie, comme les batteries lithium-ion, mais unique dans le fait qu'il ne nécessite pas d'électricité, " dit Rau. " Il faut de la chaleur pour charger, nous ouvrons donc essentiellement une nouvelle ressource qui pourrait potentiellement alimenter des processus industriels ou une partie du réseau électrique. »

L'idée de base date d'environ cinq ans, Rau a dit, mais les chercheurs cherchent à améliorer les performances du modèle de base, afin qu'il puisse devenir commercialement viable.

« Développer cette technologie ne sera pas facile, " at-il dit. " Ces batteries font circuler des électrolytes à travers des électrodes poreuses. L'écoulement du fluide seul est suffisamment compliqué à modéliser sans même tenir compte des réactions chimiques qui se produisent également. Nous développons l'expertise pour modéliser avec précision comment le flux de fluide dans ces batteries affecte les différentes réactions chimiques et, finalement, comment ces paramètres sont liés à la puissance de sortie de la batterie."

Les chercheurs espèrent que les expériences préliminaires réalisées avant le début de cette étude leur auront donné les outils nécessaires pour réussir.

"Nous avons actuellement peu d'utilisation de la chaleur résiduelle dans l'industrie et dans la production d'électricité, " a déclaré Rau. "Il est simplement jeté avec l'eau de refroidissement ou rejeté dans l'atmosphère dans une cheminée d'échappement. Si nous pouvons réellement exploiter cette chaleur perdue, nous augmenterons l'efficacité énergétique de nombreuses industries différentes."

Ces projets illustrent la nécessité de développer à grande échelle, des technologies de stockage d'énergie qui se marient bien avec les technologies d'énergie renouvelable, dit Hall.

"Il n'y aura pas une seule solution qui l'emportera, " il a ajouté. " Ce sera probablement un mélange. C'est une sorte de situation sur le pont. Nous ne savons vraiment pas lequel va fonctionner ou quand cela sera nécessaire, Je pense donc que l'exploration de plusieurs options est la meilleure voie à suivre."