La solution au stockage d’énergie est peut-être sous vos pieds

S’inscrire à mises à jour quotidiennes de CleanTechnica dans l’e-mail. SOIT suivez-nous sur Google Actualités!

Quiconque a déjà marché pieds nus sur la plage par une journée ensoleillée repartira avec une meilleure compréhension de la quantité de chaleur que le sable peut retenir. Cette capacité devrait jouer un rôle vital à l’avenir, à mesure que la technologie impliquant du sable chauffé deviendra une partie de la réponse aux besoins de stockage d’énergie.

La plupart des gens pensent probablement aux batteries en termes de stockage d’énergie pour une utilisation ultérieure, mais d’autres technologies existent. L’hydroélectricité par pompage-turbinage est une méthode courante, même si elle nécessite des réservoirs à différentes altitudes et est limitée par la géographie. Une autre approche repose sur ce que l’on appelle le stockage d’énergie thermique, ou TES, qui utilise des sels fondus voire des roches surchauffées.

Le TES s’avère prometteur en tant qu’alternative peu coûteuse aux technologies de stockage existantes, et le stockage de l’énergie dans des particules solides telles que le sable apporte une réponse immédiate, sans contraintes géologiques.

Après tout, le sable, comme l’air et l’eau, est partout.

« Le sable est facile d’accès. C’est respectueux de l’environnement. Il est stable, assez stable, sur une large plage de températures. C’est également peu coûteux », a déclaré Zhiwen Ma, ingénieur en mécanique au groupe des systèmes d’énergie thermique du laboratoire.

La nécessité d’un stockage à long terme

Une technologie brevetée développée et prototypée au NREL révèle comment des appareils de chauffage alimentés par des sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie éolienne et solaire peuvent élever la température des particules de sable à la température souhaitée. Le sable est ensuite déposé dans un silo pour être stocké et utilisé ultérieurement, soit pour produire de l’électricité, soit pour traiter de la chaleur dans des applications industrielles. Un prototype à l’échelle du laboratoire a validé la technologie et a permis aux chercheurs de créer un modèle informatique montrant qu’un appareil à l’échelle commerciale conserverait plus de 95 % de sa chaleur pendant au moins cinq jours.

« Les batteries lithium-ion ont vraiment accaparé le marché avec deux à quatre heures de stockage, mais si nous voulons atteindre nos objectifs de réduction des émissions de carbone, nous aurons besoin de dispositifs de stockage d’énergie de longue durée, capables de stocker de l’énergie pendant plusieurs jours », a déclaré Jeffrey Gifford, chercheur postdoctoral au NREL.

Gifford, qui partage déjà deux brevets avec Ma sur des échangeurs de chaleur qui convertissent l’énergie thermique stockée en électricité, a déclaré que l’utilisation de sable ou d’autres particules pour stocker l’énergie thermique présente un autre avantage par rapport aux batteries. « Le stockage de l’énergie thermique des particules ne repose pas sur des terres rares ou sur des matériaux dont les chaînes d’approvisionnement sont complexes et non durables. Par exemple, dans le cas des batteries lithium-ion, il existe de nombreuses histoires sur le défi d’une exploitation plus éthique du cobalt.

En plus du TES, l’expertise de Gifford concerne la dynamique des fluides computationnelle. Cette connaissance est importante car le sable doit s’écouler à travers le dispositif de stockage. D’autres supports TES comprennent le béton et les roches, qui peuvent facilement retenir la chaleur tout en restant solidement en place. « Le transfert de chaleur est bien plus important, plus rapide et plus efficace si vous déplacez le matériau », a déclaré Gifford.

TES présente également un autre avantage clé : le coût. Ma a calculé que le sable est l’option de stockage d’énergie la moins chère par rapport à quatre technologies concurrentes, notamment le stockage d’énergie à air comprimé (CAES), l’hydroélectricité par pompage et deux types de batteries. Le CAES et l’hydroélectricité pompée ne peuvent stocker l’énergie que pendant des dizaines d’heures. Le coût par kilowattheure pour le CAES varie de 150 à 300 dollars, tandis que pour l’hydroélectricité pompée, il est d’environ 60 dollars. Une Batterie lithium-ion coûterait 300 dollars le kilowattheure et ne serait capable de stocker de l’énergie que pendant une à quatre heures. D’une durée de plusieurs centaines d’heures, le sable utilisé comme support de stockage coûterait entre 4 et 10 dollars le kilowattheure. Pour garantir un faible coût, la chaleur serait produite à partir d’électricité à bas prix hors pointe.

Ma, qui détient plusieurs brevets sur la technologie, a auparavant été chercheur principal sur un projet financé par l’ARPA-E connu sous le nom d’ENDURING, pour le stockage économique de longue durée de l’électricité utilisant un stockage d’énergie thermique à faible coût et à haute efficacité énergétique. . Le prototype est né de ce projet. La prochaine étape est l’innovation en 2025 d’un système de stockage d’énergie thermique électrique (ETES) sur le campus Flatirons du NREL à l’extérieur de Boulder, dans le Colorado, qui sera conçu pour stocker de l’énergie entre 10 et 100 heures. Le système autonome est exempt de restrictions d’emplacement qui limitent l’endroit où le CAES ou l’hydroélectricité à stockage par pompage peuvent être établis.

Le projet de démonstration financé par le DOE, a déclaré Ma, vise à montrer le potentiel commercial du sable pour le TES.

Les sels fondus sont déjà utilisés pour stocker temporairement de l’énergie, mais ils gèlent à environ 220 degrés Celsius (428 degrés Fahrenheit) et commencent à se décomposer à 600 °C. Le sable que Ma a l’intention d’utiliser provient de sols du Midwest des États-Unis. , il n’est pas nécessaire de l’empêcher de « geler » et peut retenir beaucoup plus de chaleur, de l’ordre de 1 100 °C (2 012 °F), ce qui peut stocker la chaleur pour la production d’électricité ou pour remplacer la combustion de combustibles fossiles pour le chauffage industriel.

« Cela représente une nouvelle génération de stockage au-delà du sel fondu », a déclaré Ma.

Décidez ce qui stockera la chaleur

Mais n’importe quel vieux sable fera-t-il l’affaire ? Non, selon les chercheurs du NREL, qui ont examiné diverses particules solides pour déterminer leur capacité à circuler et à retenir la chaleur. Dans un article publié l’automne dernier, Ma et d’autres ont expérimenté huit particules solides candidates. Parmi les particules examinées figuraient des matériaux céramiques artificiels utilisés dans la fracturation hydraulique, de l’argile à silex calcinée, de l’alumine fondue brune et du sable de silice. L’argile et l’alumine fondue ont été rejetées en raison de l’instabilité thermique à la température cible de 1 200 degrés Celsius (2 192 degrés Fahrenheit).

Les matériaux céramiques ont surpassé le sable dans toutes les catégories, mais les gains marginaux de performance ont été jugés insuffisants pour justifier le coût plus élevé. Alors que le sable coûte entre 30 et 80 dollars la tonne, les prix des matériaux céramiques étaient environ deux fois plus élevés. Le sable se trouve sous la forme ultrapure de quartz alpha et est facilement disponible dans le Midwest.

Augmenter la quantité d’énergie qui peut être stockée dans le sable est aussi simple que d’ajouter plus de sable, a déclaré Craig Turchi, directeur du groupe de recherche sur les sciences et technologies de l’énergie thermique du NREL.

« C’est un coût marginal d’ajouter une capacité de stockage supplémentaire », a-t-il déclaré. « Nous avons besoin d’un stockage allant de quelques minutes à plusieurs mois. Les batteries ont très bien fonctionné en l’espace de quelques minutes à quelques heures en termes d’échelle. Et lorsqu’il y a des mois de stockage, nous cherchons généralement à fabriquer un carburant comme l’hydrogène pour assurer ce stockage à long terme. Mais entre quelques heures et deux semaines, il n’existe actuellement aucune bonne option. L’hydrogène est trop cher pour cela. Les batteries sont trop chères pour ça.

Les composants nécessaires pour convertir le sable surchauffé en électricité nécessitent un coût initial. « Mais une fois que vous avez payé cela », a déclaré Turchi, « si vous voulez simplement prolonger la durée de vie de votre énergie, il est beaucoup, beaucoup moins cher d’ajouter plus de sable que l’alternative, qui consiste à continuer d’ajouter des batteries. »

Par Wayne Hicks. Avec l’aimable autorisation du ministère de l’Énergie, NREL.