La science prétend depuis des années abandonner les combustibles fossiles et adopter les énergies renouvelables pour faire face à la crise climatique qui menace la survie de la planète. Avec les prix de l’électricité les plus élevés de l’histoire, tous les regards sont désormais plus que jamais tournés vers les énergies comme le solaire et l’éolien.
Mais il y a un problème technologique : il n’existe pas de système capable de stocker et de produire cette énergie à la demande de manière économique. Un groupe de chercheurs espagnols semble avoir trouvé la solution en découvrant un système de batteries photovoltaïques avec un énorme potentiel de stockage pendant de longues périodes à faible coût. et de fournir de la chaleur et de l’électricité sur demande.
La découverte est l’œuvre de chercheurs de l’Institut d’énergie solaire de l’Université polytechnique de Madrid (IES-UPM). Décrit dans un article intitulé ‘Latent heat thermophotovoltaic batteries’ et publié dans la revue scientifique ‘Joule’, le système utilise la production excédentaire des énergies renouvelables intermittentes, telles que l’énergie solaire ou éolienne, pour fondre des métaux bon marchécomme le silicium ou les alliages de ferrosilicium, à des températures supérieures à 1 000 ºC.
Les alliages de silicium peuvent stocker de grandes quantités d’énergie au cours de leur processus de fusion.. Ce type d’énergie est appeléchaleur latente”.
Par exemple, un litre de silicium stocke plus d’un kWh d’énergie sous forme de chaleur latente, soit précisément la quantité d’énergie contenue dans un litre d’hydrogène pressurisé à 500 bars. Cependant, contrairement à l’hydrogène, le silicium peut être stocké à pression atmosphériquece qui rend le système potentiellement moins cher et plus sûr.
Installations photovoltaïques miniatures
Le système, qui a déjà été breveté par les chercheurs d’UPM, combine les effets thermioniques et photovoltaïques pour obtenir le conversion directe de la chaleur en électricité.
Contrairement aux moteurs thermiques conventionnels, ce système ne nécessite aucun contact physique avec la source de chaleurpuisqu’il est basé sur l’émission directe d’électrons (effet thermoionique) et de photons (effet thermophotovoltaïque).
Vue de l’intérieur d’une batterie thermophotovoltaïque à chaleur latente développée dans le cadre du projet AMADEUS et disponible à l’IES-UPM. IES-UPM
Une clé du système fait référence à la manière dont la chaleur stockée est convertie en électricité. Lorsque le silicium fond à plus de 1 000 ºC, il brille comme le soleil. Par conséquent, il est possible de reconvertir la chaleur rayonnée en électricité à l’aide de cellules photovoltaïques..
Les générateurs dits thermophotovoltaïques sont comme installations photovoltaïques miniatures Quoi peut produire jusqu’à 100 fois plus d’énergie qu’une centrale solaire conventionnelle. Autrement dit : si un mètre carré de panneau solaire produit 200 W, un mètre carré de panneau thermophotovoltaïque produit 20 kW. Et non seulement la puissance est plus grande ; l’efficacité aussi.
Car le rendement des cellules thermophotovoltaïques oscille entre 30 et 40% selon la température de la source de chaleur, alors que les panneaux solaires photovoltaïques commerciaux ont des rendements compris entre 15% et 20%. La moitié.
L’utilisation de générateurs thermophotovoltaïques, à la place des moteurs thermiques conventionnels (comme les cycles Stirling, Brayton ou Rankine), évite l’utilisation de pièces mobiles, de fluides ou d’échangeurs de chaleur complexes. De cette façon, l’ensemble du système peut être rendu économique, compact et silencieux. Ce sont tous des avantages.
100 fois moins cher que les batteries au lithium
Selon l’étude, les batteries thermophotovoltaïques à chaleur latente pourraient stocker de grandes quantités d’électricité renouvelable excédentaire. « Une grande partie de cette électricité sera produite lorsqu’il n’y aura pas de demande, elle sera donc vendue très bon marché sur le marché de l’électricité », précise Alejandro Datas, chercheur à l’IES-UPM qui dirige le projet.
« Il est essentiel de stocker cette électricité dans un système très bon marché, car cela n’aurait aucun sens de stocker quelque chose d’aussi bon marché dans une boîte très chère. Pour cela, stocker l’électricité excédentaire sous forme de chaleur a beaucoup de sens, car c’est l’un des moyens les moins chers de stocker l’énergie», poursuit le chercheur.
En particulier, les alliages de silicium et de ferrosilicium permettent de stocker de l’énergie pour un coût inférieur à 4 euros par kWh, soit 100 fois moins cher que les batteries stationnaires lithium-ion actuelles.
Concept du projet AMADEUS. IES-UPM
Il est vrai que le coût total sera plus élevé après incorporation du contenant et de l’isolation thermique, mais aussi, comme le détaille l’étude, que il serait possible d’atteindre « des coûts d’environ 10 euros par kWh si le système est suffisamment grandtypiquement plus de 10 MWh, puisque le coût de l’isolation thermique représenterait une petite fraction du coût total du système ».
Le fait que seule une fraction de la chaleur stockée avec ces batteries à chaleur latente soit reconvertie en électricité n’est pas nécessairement un problème. « Si le système est suffisamment bon marché, il suffirait de ne récupérer que 30 ou 40% de l’énergie sous forme d’électricité pour qu’elles soient préférables à d’autres technologies plus coûteusescomme les batteries lithium-ion », soulignent les chercheurs.
Le premier prototype, prêt
Les 60 à 70 % de la chaleur qui ne sont pas convertis en électricité pourraient d’ailleurs être livrés directement aux bâtiments, aux usines ou aux villes, ce qui réduirait la consommation de gaz naturel.
La chaleur représente plus de 50 % de la demande énergétique mondiale et 40 % des émissions mondiales de CO2. De cette façon, le stockage de l’énergie éolienne ou photovoltaïque dans des batteries thermophotovoltaïques à chaleur latente permettrait non seulement des économies substantielles, mais satisferait également une partie de cette grande demande de chaleur grâce à des sources renouvelables.
Pourtant, « le développement de ces types de systèmes peut être essentiel pour réduire notre dépendance aux combustibles fossilesnon seulement dans le secteur électrique, mais aussi dans le secteur thermique », conclut Datas.
Les premier prototype à l’échelle du laboratoire du système qui a été fabriqué dans le cadre d’un projet européen (Amadeus) est déjà disponible à l’IES-UPM, et les premiers résultats expérimentaux ont été publiés dans l’étude.
Le silicium est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre, après l’oxygène. Agences
C’est l’aboutissement de plus de 10 ans de recherche à l’IES-UPM. Cependant, la technologie nécessite encore beaucoup d’investissements avant de pouvoir arriver sur le marché, précise l’université de Madrid. Par exemple, le prototype de laboratoire actuel a moins de 1 kWh de capacité de stockage, mais des capacités de stockage d’énergie de plus de 10 MWh sont nécessaires pour que cette technologie soit rentable.
Le prochain défi consiste à faire évoluer la technologie et à prouver sa viabilité à grande échelle.. Pour cela, les chercheurs de l’IES-UPM forment déjà l’équipe qui rendra cela possible.
Rapport de référence : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435122000423?via%3Dihub
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