L’énergie solaire représente moins de 2 % de l’électricité eu Europe, mais elle pourrait représenter plus que cela si le coût de production et de stockage de l’électricité pour les jours nuageux et la nuit était moins élevé.

Une équipe dirigée par l’Université Purdue a mis au point un nouveau matériau et un procédé de fabrication qui permettraient d’utiliser l’énergie solaire – comme source de chaleur – de manière plus efficace pour produire de l’électricité.

L’innovation est une étape importante pour mettre la production de chaleur solaire pour produire de l’électricité en concurrence directe avec les combustibles fossiles, qui produisent plus de 60 % de l’électricité aux États-Unis.

Stocker l’énergie solaire sous forme de chaleur

« Le stockage de l’énergie solaire sous forme de chaleur peut déjà être moins coûteux que le stockage de l’énergie au moyen de batteries, de sorte que la prochaine étape consiste à réduire le coût de production de l’électricité à partir de la chaleur du soleil avec l’avantage supplémentaire de zéro émission de gaz à effet de serre « , a déclaré Kenneth Sandhage, professeur de génie des matériaux chez Purdue Reilly.

La recherche, qui a été effectuée à Purdue en collaboration avec le Georgia Institute of Technology, l’Université du Wisconsin-Madison et le Oak Ridge National Laboratory, a été publiée dans la revue Nature.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de la célébration des sauts de géant de Purdue, qui reconnaît les progrès réalisés par l’université à l’échelle mondiale pour une économie et une planète durable dans le cadre du 150e anniversaire de Purdue. C’est l’un des quatre thèmes du Festival d’idées de la célébration qui se déroule tout au long de l’année et qui vise à présenter Purdue comme un centre intellectuel résolvant des problèmes du monde réel.

L’énergie solaire ne produit pas seulement de l’électricité par le biais de panneaux dans les fermes ou sur les toits. Une autre option est celle des centrales électriques à concentration qui fonctionnent à l’énergie thermique.

Les centrales solaires à concentration transforment l’énergie solaire en électricité en utilisant des miroirs ou des lentilles pour concentrer une grande quantité de lumière sur une petite surface, ce qui génère de la chaleur qui est transférée à un sel en fusion. La chaleur du sel fondu est ensuite transférée à un fluide « de travail », le dioxyde de carbone supercritique, qui se dilate et fait tourner une turbine pour produire de l’électricité.

Pour rendre l’électricité solaire moins chère, le moteur à turbine devrait produire encore plus d’électricité pour la même quantité de chaleur, ce qui signifie que le moteur devrait tourner plus chaud.

Le problème est que les échangeurs de chaleur, qui transfèrent la chaleur du sel fondu chaud au fluide de travail, sont actuellement fabriqués en acier inoxydable ou en alliages à base de nickel qui deviennent trop mous aux températures élevées souhaitées et à la pression élevée du dioxyde de carbone supercritique.

Inspiré par les matériaux que son groupe avait précédemment combinés pour créer des matériaux « composites » capables de supporter des températures et des pressions élevées pour des applications telles que les tuyères de fusées à combustible solide, Sandhage a travaillé avec Asegun Henry, maintenant au Massachusetts Institute of Technology, pour concevoir un composite similaire pour des échangeurs de chaleur plus solides.

Des échangeurs de chaleurs plus solides

Deux matériaux se sont révélés prometteurs en tant que composite : La céramique en carbure de zirconium et le métal tungstène.

Les chercheurs de Purdue ont créé les plaques du composite céramique-métal. Les plaques accueillent des canaux personnalisables pour personnaliser l’échange de chaleur, basés sur des simulations des canaux réalisées à Georgia Tech par l’équipe de Devesh Ranjan.

Les essais mécaniques effectués par l’équipe d’Edgar Lara-Curzio au laboratoire national d’Oak Ridge et les essais de corrosion effectués par l’équipe de Mark Anderson au Wisconsin-Madison ont montré que ce nouveau matériau composite pouvait être adapté pour résister avec succès aux températures élevées et aux pressions élevées du dioxyde de carbone supercritique nécessaire pour produire plus efficacement que les échangeurs thermiques actuels.

Une analyse économique réalisée par les chercheurs de Georgia Tech et Purdue a également montré que la fabrication à grande échelle de ces échangeurs de chaleur pouvait être réalisée à un coût comparable ou inférieur à celui des échangeurs à base d’acier inoxydable ou d’alliage de nickel.

« En fin de compte, avec un développement continu, cette technologie permettrait une pénétration à grande échelle de l’énergie solaire renouvelable dans le réseau électrique « , a déclaré M. Sandhage. « Cela signifierait une réduction spectaculaire des émissions de dioxyde de carbone d’origine humaine provenant de la production d’électricité. »

Une demande de brevet a été déposée pour cet avancement. Ces travaux bénéficient de l’appui du département de l’Énergie des États-Unis, qui a récemment accordé des fonds supplémentaires pour poursuivre le développement et la mise à l’échelle de cette technologie.