Caractéristiques du système de stockage de l'énergie solaire thermique moléculaire

Le système est conçu pour stocker l'énergie solaire sous forme liquide et, en le connectant à un générateur thermoélectrique à puce ultramince, l'équipe a maintenant démontré qu'il peut produire de l'électricité, un développement qui, selon elle, jette les bases d'une électronique auto-rechargeable qui utilise l'énergie solaire à la demande.

Des solutions efficaces de conversion et de stockage de l'énergie solaire sont essentielles au développement d'une société durable. Les technologies de conversion de l'énergie solaire en chaleur et en électricité sont largement utilisées. Les concepts les plus courants de conversion de l'énergie solaire sont la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique (énergie photovoltaïque) et la conversion de l'énergie solaire en énergie thermique (système de chauffage de l'eau par l'énergie solaire).

La technologie photovoltaïque la plus courante est basée sur des cellules solaires en silicium monocristallin. L'efficacité maximale des cellules solaires photovoltaïques monocristallines est estimée à 32% en raison des pertes spectrales, alors que les efficacités typiques des modules actuels atteignent plus de 20%. En revanche, les systèmes de chauffage solaire de l'eau (SWH) ont généralement un rendement (chauffage solaire) de 20 à 80%. Pour en savoir plus sur les modules photovoltaïques monocristallins, consultez les sites suivants polycristallin ou monocristallin article.

Récemment, une équipe de chercheurs suédois et chinois a mis au point un système énergétique capable de stocker l'énergie solaire sous forme d'énergie chimique pendant 18 ans et de rendre le système de chauffage solaire de l'eau et le stockage de l'énergie solaire efficaces jusqu'à 80%. Plus important encore, ce système de stockage d'énergie peut également être intégré dans des produits électroniques tels que des écouteurs, des montres intelligentes et des téléphones par le biais d'une puce ultra-mince servant de générateur. L'équipe de scientifiques de l'université technologique de Chalmers, en Suède, a travaillé sur le stockage direct de l'énergie solaire dans les liaisons chimiques des produits chimiques organiques et a mis au point le système de stockage de l'énergie solaire thermique moléculaire.

Démontré dès 2013, le système stocke l'énergie solaire sous forme d'énergie chimique potentielle par photo-isomérisation des liaisons chimiques, ce qui permet de stocker l'énergie solaire dans un milieu liquide qui peut non seulement libérer l'énergie du soleil à la demande, mais aussi être transporté. Des scientifiques de l'université technologique de Chalmers, en Suède, ont récemment fait équipe avec des chercheurs de l'université Jiao Tong de Shanghai pour pousser plus loin ce système de stockage de l'énergie solaire, en l'associant à un générateur thermoélectrique compact pour convertir l'énergie solaire en électricité. Des expériences ont montré qu'il peut produire de l'électricité à la demande.

Qu'est-ce qu'un système de stockage de l'énergie solaire thermique moléculaire ?

Les systèmes de stockage de l'énergie solaire thermique moléculaire stockent l'énergie solaire sous forme d'énergie chimique latente par photo-isomérisation dans des liaisons chimiques avec des molécules de carbone, d'hydrogène et d'azote spécialement conçues à cet effet. Au contact de la lumière du soleil, les atomes de la molécule se réarrangent pour modifier sa forme et la convertir en isomères riches en énergie qui peuvent être stockés sous forme liquide.

Schéma du système de stockage de chaleur solaire moléculaire à base de norbornadiène-tétracycloalcane

Dans un système de stockage de l'énergie solaire thermique moléculaire, la molécule mère est exposée aux photons solaires et convertie en photo-isomères à haute énergie, qui sont cinétiquement stables. En même temps, elle peut être isomérisée pour redevenir la molécule mère par activation thermique ou à l'aide d'un catalyseur et libérer de la chaleur.

Par exemple, le système de stockage de l'énergie solaire thermique moléculaire basé sur le norbornadiène-tétracycloalcane, les scientifiques exposent un hydrocarbure appelé norbornadiène à la lumière, qui modifie ses liaisons chimiques, le transformant en tétracycloalcane, l'énergie solaire est stockée dans les liaisons chimiques en tant qu'énergie chimique latente dans le processus.

La modification de la température du tétracycloalcane ou son exposition à un catalyseur a un effet inverse, libérant de l'énergie sous forme de chaleur. Le système présente une densité de stockage de l'énergie allant jusqu'à 966 kJ kg-1 et une durée de stockage de plusieurs mois.

Un système moléculaire de stockage de l'énergie solaire thermique peut stocker l'énergie solaire sous forme liquide

Après recherche, les exigences d'un système efficace de stockage de l'énergie thermique solaire moléculaire peuvent être résumées comme suit :
(1) Le composé d'origine doit absorber la majeure partie du spectre solaire ;
(2) Les photoisomères ne doivent pas rivaliser pour absorber la lumière du soleil ;
(3) Le rendement quantique de la photoréaction doit être de 100% ;
(4) La densité d'énergie stockée doit être supérieure à 300 kJ kg -1 ;
(5) Les photoisomères doivent rester stables pendant une longue période.
(6) Toutes les réactions doivent être effectuées de manière quantitative, par exemple pour permettre de multiples cycles de stockage et de libération de l'énergie solaire.

Système solaire hybride

Sur la base du système de stockage de l'énergie thermique solaire moléculaire, des chercheurs de l'université de technologie de Chalmers ont proposé un système solaire hybride composé d'un système de stockage de l'énergie thermique solaire moléculaire (MOST) et d'un système de chauffage solaire de l'eau (SWH), permettant d'exploiter les photons de sous-bande interdite par les systèmes de stockage de l'énergie thermique solaire moléculaire.

Ce système solaire hybride peut utiliser efficacement les photons à faible énergie d'un système de chauffage solaire de l'eau (SWH) et stocker les photons à haute énergie sous forme d'énergie chimique dans un système de stockage d'énergie thermique solaire moléculaire (MOST). En stockant une partie de l'énergie solaire à l'aide d'un système norbornadiène-tétracycloalcane (NBD-QC), il est possible d'ajouter un stockage d'énergie à long terme et une fourniture d'énergie à la demande aux systèmes de chauffage solaire de l'eau (SWH) existants à basse ou moyenne température.

Le collecteur supérieur est utilisé pour la conversion du solaire thermique moléculaire (MOST) ; le collecteur inférieur est utilisé pour le système de chauffage solaire de l'eau (SWH).

Pour démontrer l'effet de l'incorporation d'un stockage d'énergie basé sur la thermie solaire moléculaire dans le CES, les chercheurs ont conçu un dispositif hybride microfluidique. L'installation hybride se compose de deux couches, le CES sur la couche inférieure (gris foncé) et la thermie solaire moléculaire sur la couche supérieure (gris clair).

La section thermique solaire moléculaire supérieure est constituée d'une puce microfluidique en silice fondue ; elle permet aux photons à haute énergie du spectre solaire de convertir photochimiquement le norbornadiène (NBD) en tétracycloalcane (QC).

Comme on peut le voir, les photons dont l'énergie est inférieure au point d'initiation de l'absorption du norbornadiène (NBD) traversent efficacement les couches supérieures du dispositif et sont utilisés pour chauffer l'eau dans le collecteur inférieur, qui consiste en une cellule d'écoulement imprimée en 3D et recouverte d'une feuille de verre de quartz.

Les dimensions frontales de l'appareil sont de ≈ 2 x 2 cm.

(a) Le chevauchement spectral des solutions utilisées pour les NBD 1 et 2 et le spectre solaire dans le domaine visible (1,5 AM) ;La ligne rouge représente la transmittance du solaire thermique moléculaire, (la ligne pointillée correspond à 1, la ligne continue correspond à 2). (b) Structures chimiques des composés 1 et 2.

Parallèlement, pour évaluer plus précisément les performances du norbornadiène, le composé le plus prometteur ( 2 ) a été soumis à des tests cycliques (photoisomérisation et inversion thermique subséquente) en solution à 60 °C.

Le composé (2) a subi 127 cycles avec une dégradation négligeable, ce qui témoigne d'une excellente robustesse. En outre, les essais de cyclage ont été réalisés dans des conditions ambiantes (pas de dégazage), ce qui a entraîné une dégradation de 0,2% par cycle de conversion, suggérant qu'un environnement sans oxygène est nécessaire pour obtenir une dégradation négligeable.

Dans le test de cycle, la réaction thermique a été effectuée à 60 °C après la photoconversion, pour un total de 127 cycles. L'absorption normalisée (au) de la solution de 2 après chaque demi-cycle d'inversion thermique et de photoisomérisation est indiquée sur le chemin. L'encart montre les détails de l'absorption normalisée (au) pour les cycles 81 à 86.

"Cette technologie nous permet de stocker l'énergie solaire dans des liaisons chimiques et de la restituer sous forme de chaleur lorsque nous en avons besoin", a déclaré le chef d'équipe. "Les systèmes solaires hybrides combinent le stockage de l'énergie chimique avec des panneaux solaires chauffés à l'eau qui peuvent convertir plus de 80 % de la lumière solaire entrante.

Caractéristiques et défis du système de stockage de l'énergie solaire thermique moléculaire

Étant donné qu'une partie de l'énergie d'un système de stockage de l'énergie solaire thermique moléculaire est stockée dans des liaisons chimiques, il est possible d'obtenir un stockage à long terme très stable, limité par la taille de la capacité de stockage. Cette énergie peut être transportée et livrée en quantités très précises et avec un haut degré de fiabilité.

Par ailleurs, la performance technique démontrée par le système expérimental est de 397 kJ kg-1 = 110 W h kg-1 (composé actuel : norbornadiène), ce qui est légèrement inférieur aux 140 W h kg-1 de la batterie à lame de phosphate de fer lithié de BYD, l'un des plus grands fabricants mondiaux de batteries au phosphate de fer. les 10 premiers fabricants de batteries lithium-ionle potentiel est de 966 kJ kg-1 = 268 W h kg-1 (norbornadiène non substitué),

Elle est très compétitive par rapport à la densité énergétique des batteries lithium-ion modernes, ce qui suggère qu'elle peut être une technologie viable dans toute application utilisant l'énergie des batteries pour le chauffage résistif. Elle dépasse également l'enthalpie de fusion de la plupart des matériaux à changement de phase courants (par exemple, 200-270 kJ kg-1 pour la paraffine).

Par conséquent, le système de stockage de l'énergie thermique solaire moléculaire est également compétitif du point de vue de la densité énergétique des poids lourds. En outre, le système de stockage de l'énergie thermique solaire moléculaire présente une forte recyclabilité, comme décrit précédemment, dans le test de cyclage (photoisomérisation et inversion thermique ultérieure), le composé (2) a subi 127 cycles avec une dégradation négligeable, ce qui montre une excellente robustesse.

Toute application future à plus grande échelle de la technologie thermique solaire moléculaire est confrontée à deux défis principaux qui, ensemble, constituent une feuille de route de R&D à long terme. Le premier défi à relever dans le cadre du développement de cette technologie de stockage thermochimique pourrait être la toxicité du solvant. La réduction de la toxicité ou l'élimination des solvants ouvrirait la voie à d'autres applications potentielles, telles que les appareils de cuisson portables qui peuvent être chargés par le soleil et cuits lorsque le soleil se couche.

Deuxièmement, comme toute nouvelle technologie, la technologie thermique solaire moléculaire est confrontée au défi d'un coût élevé. Avant qu'un tel système puisse rivaliser avec d'autres technologies solaires renouvelables dans les applications énergétiques de masse, des réductions de coûts doivent être réalisées grâce à la production à grande échelle des produits chimiques constitutifs.

Applications et développements futurs

Le système de stockage de l'énergie solaire thermique moléculaire fonctionne en absorbant des photons et en stockant l'énergie dans un état de photo-isomérisation métastable. L'énergie capturée peut être stockée dans cet état liquide pendant 18 ans, avant qu'un catalyseur spécialement conçu ne redonne à la molécule sa forme initiale et ne libère l'énergie sous forme de chaleur.

L'équipe de l'université technologique de Chalmers collabore à présent avec des scientifiques de l'université Jiaotong de Shanghai, en Chine, qui utilisent un générateur thermoélectrique compact pour convertir la chaleur en électricité.

Le chercheur de l'université de technologie de Chalmers a déclaré : "Un générateur est une puce ultrafine qui peut être intégrée dans des appareils électroniques tels que des écouteurs, des montres intelligentes et des téléphones. Jusqu'à présent, nous n'avons produit qu'une petite quantité d'électricité, mais les nouveaux résultats montrent que le concept fonctionne et qu'il est très prometteur. Illustration conceptuelle d'un système de stockage d'énergie solaire thermique moléculaire pour la recharge d'appareils mobiles

Le courant produit dans le cadre de la validation du concept peut atteindre 0,1 nW (puissance produite par unité de volume : 1,3 W m-3), ce qui est peut-être très faible, mais les scientifiques voient un grand potentiel dans leur système de stockage de l'énergie solaire thermique moléculaire, qui peut être stocké par une seule molécule.

Professeur de chimie et de génie chimique à Chalmers et responsable de l'étude, a déclaré : "Il s'agit d'une toute nouvelle façon de produire de l'électricité à partir du soleil. Cela signifie que nous pouvons utiliser le soleil pour produire de l'électricité indépendamment du temps, de l'heure, de la saison ou de la situation géographique. Il s'agit d'un système fermé qui peut fonctionner sans émissions de CO2".

Après avoir démontré que le système peut être utilisé pour produire de l'électricité, l'équipe se concentre sur l'amélioration de ses performances tout en travaillant sur une solution commerciale abordable pour recharger les gadgets et chauffer les maisons. En outre, le système peut également être utilisé dans les systèmes de contrôle thermique des satellites.

Lever les obstacles à la commercialisation dans l'espace solaire concurrentiel sera un défi important et difficile à relever, mais compte tenu de la nature innovante de la technologie solaire et de la tendance mondiale actuelle à l'élimination progressive des combustibles fossiles, des percées sont susceptibles de se produire.