Le premier réacteur à combustibles solaires au monde pour la nuit p

La chimie alimentée par l'énergie solaire a un inconvénient : les réactions s'arrêtent la nuit. Maintenant, les scientifiques ont une solution.

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image : CONTISOL a été testé à Cologne, en Allemagne, en utilisant des « soleils » simulés, plutôt qu'un champ solaire réel, et le stockage et l'échangeur de chaleur ont également été simulés, car le réacteur lui-même est l'innovation testéeVoir plus

Crédit : DLR

Des chercheurs internationaux en énergie solaire thermique ont testé avec succès CONTISOL, un réacteur solaire qui fonctionne à l'air, capable de fabriquer n'importe quel combustible solaire comme l'hydrogène et de fonctionner jour et nuit - car il utilise de l'énergie solaire concentrée (CSP) qui peut inclure le stockage d'énergie thermique.

La promesse des combustibles solaires est que nous pourrions avoir des combustibles sans carbone comme l'hydrogène sans les émissions de carbone nocives pour le climat qu'il faut aujourd'hui pour produire de l'hydrogène à partir de gaz naturel. Le perfectionnement des réacteurs solaires est donc la clé d'un avenir énergétique 100 % propre.

Au lieu de brûler un combustible fossile pour la chaleur nécessaire au processus de chimie thermique, pour des réactions chimiques telles que la séparation de H2 (hydrogène) de H2O, les scientifiques ont testé différents types de réacteurs chauffés par la forme thermique du solaire, CSP, qui utilise des miroirs concentrer le flux solaire sur un récepteur.

Pour atteindre une chaleur sans carbone pour les réactions thermochimiques - qui peuvent fonctionner à des températures aussi élevées que 1 500 C - les experts considèrent la chaleur directe du CSP comme une source d'énergie propre plus efficace que l'électricité photovoltaïque ou éolienne.

Il y aura un apport illimité de lumière solaire au cours des siècles et aucune conséquence climatique lorsque la thermochimie sera alimentée par l'énergie solaire. Le seul inconvénient par rapport à la combustion d'énergie fossile, c'est que le soleil se couche la nuit.

Solaire de nuit via CSP

Maintenant, un groupe de scientifiques du Centre aérospatial allemand (DLR) soutenu par le Laboratoire de technologie des aérosols et des particules du CPERI / CERTH Grèce a construit et testé une nouvelle conception de réacteur solaire qui inclut le stockage afin qu'il puisse fournir de la chaleur 24 heures sur 24 comme la méthode actuelle à combustible fossile, mais sans les émissions.

Leur article, Fabrication and testing of CONTISOL: A new receiver-reactor for day and night solar thermochemistry a été publié en décembre 2017, chez Applied Thermal Engineering.

"Les réacteurs solaires dans le passé ont eu le problème de ce que vous faites la nuit quand vous n'avez pas de soleil, ou même quand les nuages ​​passent", a déclaré l'auteur principal de l'article, Justin Lapp, anciennement du DLR, et maintenant professeur adjoint de Génie mécanique à l'Université du Maine.

Lapp a expliqué que lorsque la température baisse, il peut être nécessaire d'arrêter la réaction ou de ralentir le débit des réactifs, ce qui réduit la quantité de produits que vous sortez. Si le réacteur s'arrête la nuit, il se refroidit, non seulement en gaspillant la chaleur résiduelle, mais en recommençant à zéro le lendemain matin.

Comment ça fonctionne

"L'idée principale de CONTISOL était donc de construire deux réacteurs ensemble", a-t-il déclaré. "L'un où la lumière du soleil effectue directement le traitement chimique. L'autre côté pour le stockage de l'énergie. Dans les canaux chimiques, les températures élevées du matériau entraînent la réaction chimique et vous obtenez un changement des réactifs aux produits dans ces canaux, et dans les canaux d'air plus frais l'air va à l'avant et l'air plus chaud sort à l'arrière."

En combinant des capacités de stockage avec un réacteur thermochimique solaire direct, ils obtiennent le meilleur des deux mondes, des températures stables 24 heures sur 24 mais aussi la source de chaleur la plus efficace pour effectuer des réactions car c'est direct, donc "vous n'avez pas autant de pertes avec plusieurs étapes entre la lumière du soleil et la chimie qui se produit."

CONTISOL utilise un réservoir à air ouvert, basé sur le réservoir d'air volumétrique utilisé dans sa tour solaire d'essai à Julich par DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt), qui peut chauffer l'air à 1 100 C. Là, un réservoir à air ouvert prend l'air du atmosphère et le tire à travers de petits canaux dans un matériau monolithique.

"Le nôtre est un récepteur d'air volumétrique comme celui-ci", a déclaré Lapp. "Le centre est un monolithe extrudé; un grand cylindre avec de nombreux canaux rectangulaires plus petits. Une rangée de canaux sur deux est utilisée pour la chimie ou pour faire passer l'air à travers le monolithe. Ces canaux sont ouverts vers l'avant pour permettre à la lumière du soleil d'entrer et de se réchauffer ce matériau monolithique."

Le test original utilisait du carbure de silicium pour le récepteur multicanal, mais les scientifiques prévoient d'essayer l'Inconel, un alliage métallique plus dur pour le récepteur.

"Le carbure de silicium est un peu difficile à fabriquer car il ne peut pas être usiné aussi bien qu'un métal. Il peut donc être difficile d'obtenir des tolérances très serrées. Ce n'est pas trop cher, mais ce n'est pas le matériau le plus facile à utiliser dans la fabrication", a-t-il expliqué. .

Des températures comprises entre 800 et 900 °C sont nécessaires pour réorganiser les molécules d'eau ou d'hydrocarbures dans la plupart des combustibles solaires, c'était donc l'objectif de température. Le prototype de réacteur a fonctionné avec succès à 850 °C à l'échelle du laboratoire : 5 kW.

CONTISOL a été testé à Cologne, en Allemagne, en utilisant des « soleils » simulés, plutôt qu'un champ solaire réel, et le stockage et l'échangeur de chaleur ont également été simulés, car le réacteur lui-même est l'innovation.

"Cette balance est un prototype scientifique simplement pour que nous comprenions comment la contrôler. Elle ne serait pas commercialisée à 5 kW", a-t-il déclaré. « Commercialement, 1 à 5 MW serait à peu près le plus petit pour les réacteurs à l'échelle industrielle, et ils pourraient évoluer jusqu'à 100 MW ou même plus.

"Dans notre cas, nous faisons du reformage du méthane à titre d'exemple. Mais ce n'est pas lié au méthane, il pourrait produire n'importe quel nombre de combustibles solaires. Un intéressant est la production d'hydrogène à partir d'acide sulfurique en tant que matériau de recyclage. Lorsque vous évaporez de l'acide sulfurique à environ 400 C en vapeur et SO3, il n'est pas corrosif, vous pouvez donc même utiliser des composants en acier inoxydable."

Pourquoi l'air comme fluide caloporteur ?

Le transfert de la chaleur dans l'air ouvre des options pour les systèmes de stockage à haut rendement comme le stockage thermochimique ou le stockage de chaleur latente dans le cuivre ou les alliages de cuivre qui fondent entre 900 et 1100 C.

Les avantages de l'air sont qu'il est accessible, librement disponible et abondant. L'air n'est pas corrosif et toute fuite serait sans conséquence, il n'a donc pas besoin d'être contenu dans une boucle fermée, a-t-il expliqué.

"Il peut aspirer de l'air juste hors de l'atmosphère, puis le faire passer à travers l'échangeur de chaleur pour stocker la chaleur. Et puis il peut évacuer cet air une fois qu'il est froid."

Avec d'autres matériaux de transfert de chaleur, "vous devez vous assurer que le système est scellé partout et si vous en perdez, vous devez en acheter plus pour le rattraper. Avec l'air, vous n'avez pas ce problème."

Contrairement à de nombreux fluides caloporteurs, dont la structure moléculaire peut changer à haute température, l'air reste stable à haute température.

Cependant, un réservoir d'air semble exclure les réactions chimiques utilisant des liquides comme l'eau. Ce n'est pas le cas, a déclaré Lapp.

"Il y a très peu de liquides qui restent liquides dans la plage de 600 à 800 degrés qui nous intéresse", a-t-il expliqué. "La plupart des réactions chimiques que nous traitons sont soit avec des gaz comme le méthane, soit avec des matériaux solides comme les réactions d'oxyde métallique.

Même le fractionnement de l'eau se fait à une température si élevée que l'eau n'est pas liquide, mais de la vapeur.

"L'eau entrant déjà sous forme de vapeur facilite grandement la conception du récepteur. Vous n'avez pas les problèmes d'expansion de la vapeur pendant son ébullition. Il est plus facile de le garder étanche à la vapeur qu'au liquide", a-t-il déclaré. Donc, pour préparer l'eau à diviser, elle serait d'abord bouillie à la vapeur directement dans la tour.

"Dans ces réacteurs solaires à haute température, le point central de la tour où tous les miroirs se concentrent est le meilleur pour la chimie à haute température. Nous obtenons un flux très élevé au centre pour atteindre 600 à 800 °C. Mais il y a toujours beaucoup de rayonnement gaspillé. autour de l'extérieur ; il y a encore assez de lumière pour chauffer à 200 - 300 °C, pas assez pour la chimie, mais suffisamment pour évaporer l'eau en vapeur », a souligné Lapp.

Les premiers réacteurs thermochimiques étaient nucléaires

La recherche sur l'utilisation de réacteurs pour effectuer la thermochimie est née dans les années 60 avec l'énergie nucléaire, mais a été abandonnée une fois que les chercheurs ont été incapables d'obtenir des réactions nucléaires pour atteindre les températures nécessaires. Très peu de conceptions de réacteurs nucléaires ont pu atteindre 800 C.

Mais plus récemment, les réacteurs solaires ont repris ces recherches en thermochimie, basées sur la chaleur solaire plutôt que sur le nucléaire. Ils atteignent déjà des températures comprises entre 800 C et 1500 C à l'échelle pilote, en utilisant une lumière solaire très concentrée.

Les réacteurs solaires n'incluent pas le grand bloc de puissance d'une centrale CSP, qui est une centrale thermique complète produisant de l'électricité (sauf avec de la chaleur fournie par le soleil). Les réacteurs solaires n'ont pas besoin de la grande turbine ou du générateur pour produire de l'électricité, mais se composent uniquement d'une tour, d'un champ solaire, d'un récepteur et de la chambre de réaction. A cela, CONTISOL ajoute un système de stockage, transférant la chaleur de l'air dans l'échangeur de chaleur.

Pour produire de l'hydrogène par exemple, un réacteur solaire de type CONTISOL comprendrait un champ solaire d'héliostats (miroirs), une tour, un réservoir d'air et le stockage de la chaleur. Les miroirs refléteraient la lumière du soleil dans le récepteur d'air; chauffer l'air dans deux ensembles de petites chambres dirigeant l'air soit vers la chambre de réaction pour la réaction thermochimique, soit vers le stockage de chaleur.

L'hydrogène pourrait alors être utilisé dans plus de réactions - si vous l'aviez stocké pour le garder au chaud pendant la nuit - ou vous le feriez sortir de la chambre de réaction dans la tour pour être comprimé, remplir un réservoir et le chasser.

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Article : Fabrication et test de CONTISOL : Un nouveau réacteur-récepteur pour la thermochimie solaire jour et nuit

http://www.solarpaces.org/wp-content/uploads/Fabrication-and-testing-of-CONTISOL-A-new-receiver-reactor-for-day-and-night-solar-thermochemistry.pdf

À propos de SolarPACES :

SolarPACES (Solar Power And Chemical Energy Systems) est une collaboration internationale entre chercheurs faisant progresser l'énergie solaire thermique, qui englobe la production d'énergie solaire flexible et distribuable, le stockage d'énergie thermique, les applications industrielles et les combustibles solaires thermochimiques.

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Génie Thermique Appliqué

10.1016/j.applthermaleng.2017.08.001

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