Stockage d'énergie thermochimique pour livrer l'énergie solaire Gen3 des mois plus tard

Publié le1 juin 20231 juin 2023AuteurSusan Kraemer

Par rapport au coût de l'usine Gen3 CSP elle-même, l'ajout du stockage thermochimique et du réacteur de production d'hydrogène a à peine augmenté les coûts de l'usine, mais a ajouté beaucoup plus de valeur en augmentant considérablement la durée de stockage.

En règle générale, la simplicité est synonyme de faibles coûts. Mais les créateurs d'un système de stockage d'énergie thermochimique multi-technologies pour l'énergie solaire à concentration (CSP) Gen3 affirment que leur conception complexe réduirait les coûts en permettant la fourniture d'énergie solaire non seulement en un jour ou deux comme aujourd'hui, mais chaque fois que nécessaire, des semaines et des mois plus tard.

Ce double système de stockage d'énergie thermochimique s'associerait à l'usine pilote CSP avancée en cours de construction par Sandia dans son centre de test d'héliostats au Nouveau-Mexique en tant que lauréat du prix Gen3 CSP du Département américain de l'énergie.

Le pilote Gen3 de Sandia, qui a récemment fait ses débuts, comprend un récepteur de particules à chute libre alimentant un stockage de particules à haute température. Ces particules ressemblant à du sable chauffent le CO2 supercritique, un fluide de travail très efficace fonctionnant dans une boucle de cycle de Brayton fermée.

Pour livrer après la tombée de la nuit, le CSP commercial d'aujourd'hui stocke l'énergie solaire dans du sel fondu. Le pilote Gen3 de Sandia utilise à la place des particules, qui restent stables à des températures beaucoup plus élevées pour une plus grande efficacité. Celui-ci fournit de l'énergie solaire à partir d'un stockage thermique, généralement pendant 8 ou 10 heures.

Mais une nouvelle étude de l'Arizona State University (ASU), où le professeur Ellen Stechel mène des recherches rigoureuses sur le potentiel thermochimique solaire, a montré que le LCOE pouvait être abaissé en ajoutant une paire de cycles redox thermochimiques qui peuvent ensuite fournir de l'énergie n'importe quel jour. il est nécessaire, même des mois plus tard.

"La nouveauté de notre système est que nous proposons trois niveaux de stockage pour une garantie d'acheminement toute l'année", a expliqué le chercheur assistant de l'ASU, Alberto de la Calle.

De la Calle a révélé les grandes lignes du nouveau concept dans une présentation et une analyse technico-économique abstraite d'une centrale solaire à concentration à haute température avec un système de stockage à plusieurs niveaux pour une disponibilité garantie toute l'année lors de la récente conférence SolarPACES.

L'idée est d'ajouter deux niveaux supplémentaires de stockage d'énergie thermique à celui qui se décharge quotidiennement, un pour le faire jusqu'à une semaine plus tard, et un pour fournir de l'énergie chaque jour nécessaire, même dans des mois. Pour les trois technologies, différentes méthodes stockeraient et libéreraient de l'énergie. Et plutôt que de compter sur un seul apport de chaleur pour chaque type, il existe plusieurs options de charge.

Alors que la livraison quotidienne d'électricité fonctionnerait à partir de la chaleur stockée comme dans le CSP commercial d'aujourd'hui, les chercheurs adoptent une approche unique pour charger le stockage d'énergie thermique hebdomadaire et saisonnier.

Les deux systèmes supplémentaires s'articulent autour d'une paire synergique de cycles thermochimiques, l'un pour stocker chimiquement la chaleur à long terme et l'autre pour produire de l'hydrogène.

Schéma de stockage d'énergie thermochimique IMAGE@Analyse technico-économique d'une centrale solaire à concentration à haute température avec un système de stockage à plusieurs niveaux pour une expédition garantie toute l'année

Stockage quotidien existant (niveau 1) dans le CSP Sandia Gen3. Les particules stockent la chaleur « sensible » (la chaleur que vous pouvez ressentir) : Les particules chaudes dans le réservoir de stockage d'énergie thermique Gen3 sont chauffées par le flux solaire concentré du champ d'essai des héliostats solaires de Sandia lorsqu'elles tombent à travers le récepteur. La chaleur est transférée au dioxyde de carbone supercritique pour faire fonctionner une turbine s-CO2 pour produire de l'électricité. Le réservoir de stockage de particules est dimensionné pour contenir l'approvisionnement d'une journée.

Pour un stockage hebdomadaire (Niveau 2) : Ajouter un stockage en chaleur thermochimique :Un processus thermochimique à cycle continu générerait de la chaleur dans un cycle redox en deux étapes d'un oxyde métallique thermiquement réduit par la chaleur (charge) et oxydé dans l'air (décharge).

"L'un des objectifs de ce projet est de trouver quel est l'oxyde métallique le plus approprié pour ce procédé. Nous avons commencé à tester CaAl0.2Mn0.8O3, une pérovskite qui a déjà été utilisée dans ces types de cycles", a déclaré de la Calle.

Ce réacteur à flux en zigzag pour le stockage d'énergie thermochimique aurait trois modes de charge optionnels. Il pourrait fonctionner avec la chaleur du réservoir de stockage thermique et l'électricité hors pointe, avec uniquement de l'électricité hors pointe (lorsque le prix est bas), ou en la réduisant chimiquement avec de l'hydrogène produit sur place.

"Ce stockage se fait également dans des particules. Cependant, ces particules ne sont pas chimiquement inertes", a-t-il expliqué. "Lorsqu'elles sont chauffées jusqu'à 1000 °C dans un environnement pauvre en oxygène, elles réagissent en libérant de l'oxygène de son réseau. Elles sont stockées dans un réservoir. Lorsque ce stockage doit être utilisé, les particules sont mélangées à de l'oxygène. Une deuxième réaction, une réoxydation, a alors lieu, qui libère de la chaleur. Ce stockage aurait une capacité similaire au stockage Gen3, mais la densité d'énergie est plus élevée et le temps de stockage sera plus long - de l'ordre de la semaine."

Pour récupérer la chaleur stockée dans cet oxyde métallique réduit, un échangeur de chaleur spécial des particules vers le s-CO2 a été conçu dans lequel la réaction de réoxydation aurait lieu.

Pour le stockage saisonnier (Niveau 3) : Ajouter un réacteur à hydrogène :L'hydrogène serait généré sur place dans le réacteur labyrinthe de l'ASU, une conception thermochimique de nouvelle génération présentée à la conférence SolarPACES pour séparer l'eau et le dioxyde de carbone, fonctionnant sur l'électricité du réseau hors pointe.

"Dans ce réacteur, la réaction de réduction est d'environ 1500 ° C et la réaction de réoxydation, si nous utilisons de l'oxyde de cérium comme oxyde métallique, est d'environ 1000 ° C", a déclaré De la Calle.

"La différence avec le stockage de niveau 2 est qu'ici la réoxydation se fait avec de l'eau (vapeur). L'oxyde métallique réduit en présence d'eau est capable de libérer de l'hydrogène en extrayant l'oxygène de la molécule d'eau."

Une fois que l'hydrogène est produit dans ce réacteur, il est stocké dans une cuve jusqu'à ce qu'il soit nécessaire pour conduire la réaction de réduction dans le stockage thermochimique de niveau 2 - et finalement livré au réseau via le bloc d'alimentation du cycle s-CO2. Cet hydrogène peut également être vendu comme marchandise au réseau.

La configuration à contre-courant des deux réactions thermochimiques maximise l'utilisation du potentiel chimique de l'oxyde métallique utilisé comme matériau redox.

Résultats : les bénéfices nets de la production à partir du stockage thermochimique de niveau 3 sont les plus élevés

Cette équipe a montré que leur système pouvait produire au moins 8 heures d'électricité solaire chaque jour, toute l'année, été comme hiver, indépendamment des heures d'ensoleillement quotidiennes.

« Ce système offre une flexibilité unique, où nous pouvons acheter et vendre de l'électricité quand cela nous convient le mieux et vendre de l'hydrogène en tant que produit de base pour compenser les coûts d'exploitation et d'investissement. Les revenus de l'hydrogène à eux seuls, nets du coût de l'électricité hors pointe, compensent les CapEx », a-t-il expliqué.

Par rapport au coût de l'usine Gen3 CSP elle-même, l'ajout du stockage thermochimique et du réacteur de production d'hydrogène a à peine augmenté les coûts de l'usine, mais a ajouté beaucoup plus de valeur en augmentant considérablement la durée de stockage.

Par rapport au coût de l'usine Gen3 CSP elle-même, l'ajout du stockage thermochimique et du réacteur de production d'hydrogène a à peine augmenté les coûts de l'usine, mais a ajouté beaucoup plus de valeur en augmentant considérablement la durée de stockage.

"Pour comparer notre système de stockage à plusieurs niveaux avec un cas de référence pour voir si notre système est meilleur ou pire, nous avons calculé le LCOE de la centrale CSP avec uniquement un stockage quotidien, avec différents multiples solaires et différentes capacités de stockage comme référence. Et non seulement nous réduisons le LCOE du système, mais nous garantissons également une dispatchabilité toute l'année." dit de la Calle. "Nous avons constaté que le LCOE de notre système à trois niveaux est inférieur de 16 % à la valeur de référence."

C'est le coût supplémentaire relativement faible pour ajouter les deux systèmes de stockage thermochimique (niveaux 1 et 2) qui ont fourni le stockage hebdomadaire et saisonnier le plus précieux qui a été la clé de cette réduction du LCOE.

Plus de lecture :"Développement et test du réacteur à flux en zigzag pour le stockage d'énergie thermochimique" Rhushikesh Ghotkar, Conférence SolarPACES 2022

"Développement et test du réacteur thermochimique à labyrinthe pour la séparation eau/CO2 à l'ASU" Ivan Ermanoski, Conférence SolarPACES 2022

Évaluation de conceptions alternatives pour un échangeur de chaleur particule-sCO2 à haute température C.Ho et al., Journal of Solar Engineering, 2019

Analyse thermodynamique d'un échangeur de chaleur particule réactive vers sCO2 pour la récupération de l'énergie thermochimique stockée Actes de la conférence s-CO2 Europe, 2023

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CatégoriesNouvelles et analyses CSP