Le transfert de chaleur du sodium vers la magnésie passe un test de stockage

Jun 07, 2023

Publié le5 décembre 202211 juillet 2023AuteurSusan Kraemer

Test prototype de briques de magnésie dans le laboratoire de sodium à l'échelle de la paillasse, financé par ASTRI. Image@Développement d'un prototype de stockage d'énergie thermique en lit garni avec du sodium comme fluide caloporteur

Les chercheurs du secteur solaire testent le stockage de l’énergie thermique dans des briques de magnésie céramique empilées – en utilisant un métal liquide ; le sodium, comme fluide caloporteur. Les briques de magnésie seront conservées en lit garni dans un seul réservoir de stockage ; il contiendra donc le sodium liquide à la fois dans son état chaud et « refroidi » (150°C) en utilisant le stockage par thermocline.

Le traitement solaire thermique concentré (CST) pour l’industrie lourde nécessite des matériaux à haute température. Le sodium liquide et la magnésie sont tous deux bien adaptés à un tel stockage d’énergie à haute température.

La nécessité de stocker l’énergie n’est pas seulement devenue un problème avec les énergies renouvelables d’aujourd’hui. Le gaz a toujours été stocké dans de vastes cavernes souterraines. Le pétrole est stocké dans d’immenses réservoirs souterrains et dans les réserves nationales de pétrole. Le charbon est stocké à l’extérieur des centrales électriques ou attend à bord des wagons qui se déplacent lentement à travers les continents.

Le stockage est nécessaire pour le réseau électrique. Dans le CSP, la forme thermique de l’énergie solaire, le stockage est thermique ; dans des sels fondus chauds. Ceux-ci transfèrent la chaleur et la stockent également à environ 560°C. Ce type d’énergie solaire utilise une centrale thermique pour produire de l’électricité à partir de vapeur, comme une centrale au charbon ou une centrale nucléaire. Ces systèmes de turbine à vapeur n'ont besoin que d'une température d'environ 400°C.

Aujourd’hui, le stockage est encore plus crucial alors que l’énergie solaire thermique concentrée (CST) commence à remplacer la combustion de combustibles fossiles pour fournir de la chaleur aux processus industriels. Ces processus doivent fonctionner 24 heures sur 24, à des températures supérieures à 800°C, été comme hiver.

Pour atteindre des températures plus élevées, les chercheurs du CST étudient de nouvelles technologies permettant de transférer et de maintenir la chaleur. Une solution consiste à répartir la tâche entre deux matériaux. Un fluide mieux adapté au transfert de températures élevées peut chauffer un matériau solide mieux à même de stocker la chaleur.

C’est pour cette raison que les chercheurs du domaine CST étudient les fluides caloporteurs et les matériaux de stockage thermique qui fonctionnent bien ensemble et peuvent atteindre des températures plus élevées.

Une équipe de l'Université nationale australienne (ANU) propose de tester une nouvelle combinaison. Leur article, Développement d'un prototype de stockage d'énergie thermique à lit emballé avec du sodium comme fluide de transfert de chaleur et une présentation SolarPACES2022, décrit leur travail.

Ils essaient le sodium liquide comme fluide caloporteur et stockent la chaleur dans des briques de magnésie de qualité commerciale à faible coût, qui, en tant que céramique, peuvent mieux absorber et retenir la chaleur que la plupart des roches. Le sodium a une plage de travail comprise entre 100°C et 800°C, beaucoup plus chaude et une plage de travail beaucoup plus large que les sels fondus (290°C à 565°C).

"Le sodium est donc potentiellement un fluide très intéressant pour les systèmes à haute température en raison de sa capacité à haute température et de sa large gamme de liquides", a déclaré l'auteur principal Joe Coventry, professeur agrégé à l'ANU. « Et les briques de magnésie ont une bonne stabilité thermodynamique au contact du sodium à 750°C. De plus, il ne s’agit que d’un produit commercial très standard utilisé comme revêtement réfractaire dans la fabrication de l’acier. Vous pouvez les acheter en gros. Pas de soucis du tout pour l’approvisionnement.

Suite à leur modélisation dans FactSage identifiant la céramique prometteuse ; magnésie, l'équipe a construit un prototype à l'échelle réelle dans le laboratoire de sodium de l'université. Ici, il testera la précision des simulations des performances de ce système à lit garni.

Dans cette forme de stockage d’énergie thermique, des roches, des cailloux ou du sable qui conservent des températures très élevées sont emballés dans un conteneur. Le matériau solide est chauffé par un fluide caloporteur – un gaz ou un liquide. Les gaz comme l’air ou le CO2 supercritique peuvent supporter des températures très élevées.

La localisation des meilleures céramiques pour les lits garnis de métaux liquides pour le fluide caloporteur est un autre domaine d'intérêt de recherche à haute température, par exemple au laboratoire de métaux liquides de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), dirigé par Klarissa Niedermeier.