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

Nov 08, 2023

Publié le5 décembre 202210 décembre 2022AuteurSusan Kraemer

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

Les chercheurs solaires testent le stockage de l'énergie thermique dans des briques de magnésie en céramique empilées - en utilisant un métal liquide ; le sodium, comme fluide caloporteur. Les briques de magnésie seront conservées dans un lit tassé 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 thermocline.

Le traitement thermique solaire concentré (CST) pour l'industrie lourde nécessite des matériaux à haute température. Le sodium liquide et la magnésie sont 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 empilé 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 CSP, la forme thermique de l'énergie solaire, le stockage est thermique ; dans les 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 nucléaire. Ces systèmes à turbine à vapeur n'ont besoin que d'une température d'environ 400°C.

Aujourd'hui, le stockage est d'autant plus crucial que le solaire thermique à concentration (CST) commence à remplacer la combustion des 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 et plus, été comme hiver.

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

Pour cette raison, les chercheurs dans le 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'Australian National University (ANU) propose de tester une nouvelle combinaison. Leur article, Development of a Packed Bed Thermal Energy Storage Prototype with Sodium as the Heat Transfer Fluid 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 entre 100°C et 800°C, beaucoup plus chaud 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, ce ne sont qu'un produit commercial très standard utilisé comme revêtement réfractaire dans la sidérurgie. Vous pouvez les acheter en vrac. 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 du laboratoire dans le laboratoire de sodium de l'université. Ici, il testera la précision des simulations des performances de ce système à lit fixe.

Dans cette forme de stockage d'énergie thermique, des roches, des cailloux ou du sable qui maintiennent 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 transporter des températures très élevées.

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

"L'équipe de KIT a réalisé une partie des premiers travaux de modélisation du stockage des lits à garnissage avec du sodium", a noté Coventry. "Cependant, je ne pense pas qu'ils soient arrivés au point où ils avaient identifié et testé une céramique particulière comme matériau de stockage à lit fixe compatible avec le sodium. Nous l'avons donc fait. Je pense que nous sommes les premiers à construire un prototype. avec un matériau de stockage en vrac à faible coût et compatible avec le sodium qui, selon nous, pourrait convenir à une application commerciale"

En utilisant la magnésie sous forme de briques, ils ont proposé une configuration étroitement emballée qui se prête à une production de masse avec un produit facilement disponible. Dans la plupart des systèmes de lits garnis constitués d'un tas de roches ou de cailloux ronds remplis de manière lâche, il existe un problème potentiel où, à travers des cycles thermiques successifs, les matériaux ont tendance à pousser vers l'extérieur, ce qui sollicite les parois du conteneur.

"Lorsque vous remplissez un réservoir de pierres, elles grossissent légèrement à mesure qu'elles chauffent", a-t-il expliqué. "Et les murs se plient un peu. Et quand tout se refroidit, ils retombent tous un peu, et quand ils se réchauffent, ils poussent les murs un peu plus loin, un problème connu sous le nom de" cliquet thermique ". "

L'emballage structuré des briques élimine le cliquet car les briques restent soutenues les unes par les autres. ANU a également testé l'exposition de la magnésie à 750°C pendant des périodes allant jusqu'à 500 heures et a confirmé sa stabilité à des températures élevées. Aucun changement de phase ou dommage structurel n'a été observé.

L'avantage du sodium à haute température a été identifié il y a longtemps. Dans le nucléaire avancé, un réacteur rapide refroidi au sodium utilise du sodium métallique liquide comme liquide de refroidissement. Mais après qu'une fuite a provoqué un incendie au centre de test extérieur espagnol Plataforma Solar de Almería (PSA) au tout début de la recherche solaire, cette recherche sur le sodium a été abandonnée.

Puis, avec le récent regain d'intérêt pour les processus solaires à haute température, le sodium a recommencé à attirer la recherche. En Australie, Vast Solar utilise du sodium comme fluide caloporteur au lieu de sels fondus dans son CSP prévu à Port Augusta. Cette centrale modulaire dispose de fluide caloporteur dans plusieurs tours réceptrices chauffées par des champs solaires en série.

"Vast Solar est le plus intéressé par le sodium car il permet cette modularité", a expliqué Coventry. "Le sodium peut interconnecter chacune de leurs tours et transférer la chaleur vers un bloc d'alimentation central. Le sel fondu ne peut pas traverser plusieurs champs solaires comme celui-ci car il est tout simplement trop susceptible de geler." (Le sel fondu est un liquide aqueux dans sa plage de fonctionnement entre 565C et 290C. Mais il devient solide et inamovible "gèle" à basse température)

La façon dont l'équipe atténue le risque d'incendie du sodium (ainsi que le coût, qui est plus élevé que certains autres candidats) est de minimiser la quantité qu'ils utilisent. Dans la plupart des systèmes de stockage à lit fixe, le tas de roches peut avoir de grands espaces pour que le fluide caloporteur puisse s'écouler. Avec des briques rectangulaires, il n'y a que des espaces étroits entre chacune. "Ainsi, le sodium s'écoule à travers les espaces entre les briques et de cette façon, nous pouvons nous attendre à obtenir bien moins de 5% du volume total de sodium", a expliqué Coventry.

Le sodium est relativement cher. Donc, en utiliser le moins possible a également du sens. Mais une si petite quantité de fluide caloporteur sera-t-elle efficace pour absorber suffisamment de chaleur dans le récepteur solaire et la transférer aux matériaux de stockage thermique ? Dans ce test, ils espèrent le découvrir.

Stockage thermocline du sodium HTF avec des briques de magnésie montrant la distribution spatiale de la température dans le temps

Comme l'enquête de Karlsruhe sur le stockage à haute température avec des métaux liquides avec d'autres matériaux céramiques, ce test se fera en stockage thermocline ; où le chaud et le froid sont conservés dans le même réservoir. La thermocline fait référence à cette région de température mixte où une couche supérieure chaude rencontre une sous-couche plus froide. Dans le stockage thermique, il doit être aussi petit que possible, ce qui demande un peu d'ingénierie. Mais un système thermocline est plus rentable que d'avoir deux réservoirs, un chaud et un froid, car en pratique l'un d'eux est vide à tout moment, ce qui gaspille les coûts de matériel de stockage.

"Nous travaillons beaucoup ces jours-ci avec HILTCRC, l'initiative australienne de transition bas carbone pour l'industrie lourde. Ils s'intéressent aux températures assez élevées jusqu'à 1200°C", a-t-il ajouté.

"Lorsque la chaleur est ce que vous voulez, stocker de la chaleur dans des choses comme des lits à garnissage est beaucoup moins cher que de stocker de l'électricité puis de la reconvertir en chaleur. Les lits à garnissage sont assez simples à utiliser et je pense que c'est attrayant pour l'industrie. Nous recherchons donc faire pas mal de travail dans la fourniture de chaleur à nos grands procédés industriels. Raffinage de l'alumine, cimenterie, réduction de l'hydrogène ou minerai de fer, et diverses industries associées ; "

Plus d'informations sur la recherche solaire CST en Australie et le programme Heavy Industry Low Carbon Transition (HILTCRC)

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