Alors que le sable noir est surtout connu pour recouvrir les plages immaculées, il joue également un rôle dans la transition vers une énergie propre. Chauffer de petites particules de céramique ressemblant à du sable pour 1000°C ou plus peut être la clé pour rendre les centrales solaires thermiques à concentration (CSP) plus efficaces et débloquer un stockage d’énergie bon marché et de longue durée.
Pour visualiser le processus, imaginez des grains de sable tombant à travers un sablier. Un élévateur soulève les particules de céramique jusqu’à un bac de stockage, appelé trémie. Les particules tombent de la trémie, absorbant les rayons solaires concentrés jusqu’à ce qu’elles sortent par le bas du récepteur solaire. Bien qu’il s’agisse d’une nouvelle technologie, les récepteurs de particules tombantes peuvent également être intégrés à la technologie existante des tours électriques CSP.
Le département américain de l’énergie finance des recherches innovantes sur les particules depuis plus d’une décennie, en étudiant les propriétés des particules et en développant des modèles pour les composants à base de particules tels que les récepteurs, les échangeurs de chaleur et les réservoirs de stockage.
En 2021, le DOE a déterminé que les systèmes CSP à base de particules solides ont le plus de potentiel pour fonctionner de manière rentable à des températures plus élevées et permettre des cycles d’alimentation avancés (très efficaces). Les particules peuvent résister à une chaleur supérieure à 1000°C, par rapport aux sels de nitrate fondus déployés commercialement qui ont une température maximale de 565°C. Les systèmes à base de particules nécessitent également moins de composants, sont moins complexes à exploiter que les systèmes à base de liquide et de gaz et nécessitent relativement peu de matériaux coûteux pour collecter et transporter l’énergie thermique.
Le DOE dispose d’un portefeuille croissant de recherche et développement basés sur des systèmes de particules, y compris une installation d’essai à l’échelle du mégawatt aux Sandia National Laboratories, pour prouver la promesse des particules en tant que «fluide» de transfert de chaleur rentable. La recherche sur les systèmes à base de particules se concentre sur trois applications principales.
Électricité dispatchable avec stockage d’énergie à long terme
Le stockage de l’énergie est essentiel pour les gestionnaires de réseaux électriques afin d’adapter l’approvisionnement en électricité à la demande. Le stockage d’énergie thermique à base de particules est littéralement bon marché, et donc plus abordable que les systèmes traditionnels. Les matériaux à faible coût sont essentiels pour faire durer les fenêtres de stockage au-delà de la limite de temps de quatre heures des batteries lithium-ion. Les particules ont des configurations flexibles, ce qui signifie qu’elles peuvent prendre en charge des applications de presque toutes les températures ou tailles. Contrairement aux liquides à haute température, les particules peuvent également résister à la corrosion.
Production directe de carburant solaire
L’énergie solaire peut être utilisée pour convertir des matières premières chimiques de base telles que le dioxyde de carbone et l’eau en carburants alternatifs propres qui offrent une plus grande stabilité du réseau, une sécurité énergétique et des avantages environnementaux.
Les combustibles solaires, comme l’hydrogène, peuvent être créés et brûlés sans produire de gaz à effet de serre. Un système CSP à base de particules peut permettre des températures supérieures à 1000 ° C qui sont nécessaires pour qu’un réacteur solaire thermique produise de l’hydrogène ou d’autres combustibles transportables.
Décarbonation industrielle
La décarbonisation du secteur de l’énergie d’ici 2050 nécessitera des innovations dans le secteur manufacturier américain pour réduire les émissions dans des industries telles que la chimie, la sidérurgie et le ciment. La capacité de résister à des températures très élevées rend les particules particulièrement pratiques pour fournir de la chaleur à une variété de secteurs industriels. En septembre 2022, le DOE a annoncé la sélection de cinq projets qui se concentrera sur l’avancement des utilisations industrielles de cette technologie, en particulier dans les secteurs du ciment, de l’hydrogène et des produits chimiques, et contribuera à faire progresser les objectifs énoncés dans le DOE Feuille de route de la décarbonation industrielle.
Opportunités pour les chercheurs
Pour les scientifiques et les ingénieurs, il existe de nombreuses opportunités de s’impliquer dans le domaine en plein essor de la recherche sur les particules pour atteindre les objectifs de décarbonisation et de climat. Les futurs domaines d’exploration comprennent la réalisation de particules encore moins coûteuses qui peuvent durer 30 ans et le développement de matériaux innovants capables de maintenir les particules aux températures les plus extrêmes dans le récepteur et la cuve de stockage.
En savoir plus sur les recherches de SETO en matière de CSP.
