Matériau de stockage d’énergie thermique trimodal pour les applications d’énergie renouvelable

Contexte académique

Avec la réduction de la dépendance mondiale aux combustibles fossiles, l’utilisation généralisée des énergies renouvelables est devenue un enjeu clé pour l’avenir énergétique. Cependant, l’intermittence et l’instabilité des énergies renouvelables rendent les technologies de stockage d’énergie efficaces, peu coûteuses et durables essentielles. Les matériaux de stockage d’énergie thermique (Thermal Energy Storage Materials, TESMs) combinés à une batterie Carnot (Carnot Battery) sont considérés comme capables de révolutionner le domaine du stockage d’énergie. Cependant, le manque de matériaux de stockage d’énergie thermique stables, peu coûteux et à haute densité énergétique entrave le développement de cette technologie.

Les matériaux de stockage d’énergie thermique stockent l’énergie principalement par trois modes : le stockage de chaleur sensible (Sensible Heat Storage), le stockage de chaleur latente (Latent Heat Storage) et le stockage thermochimique (Thermochemical Storage). Le stockage de chaleur sensible dépend de la capacité thermique des matériaux, le stockage de chaleur latente stocke l’énergie par le changement de phase des matériaux à changement de phase (Phase Change Material, PCM), et le stockage thermochimique stocke l’énergie par des réactions chimiques réversibles ou des processus d’adsorption. Ces dernières années, le concept de combiner ces trois modes dans un seul système a attiré l’attention, car il permet d’atteindre des capacités de stockage d’énergie thermique extrêmement élevées.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Saliha Saher, Sam Johnston, Ratu Esther-Kelvin, Jennifer M. Pringle, Douglas R. MacFarlane et Karolina Matuszek, respectivement affiliés à l’Université Monash (Monash University) et à l’Université Deakin (Deakin University) en Australie. L’article a été publié dans la revue Nature du 19 au 26 décembre 2024, sous le titre Trimodal Thermal Energy Storage Material for Renewable Energy Applications.

Processus de recherche et résultats

Processus de recherche

1. Sélection et préparation des matériaux
   L’équipe de recherche a d’abord sélectionné une série de mélanges binaires d’acide borique (Boric Acid) avec différents acides organiques, et a finalement choisi un mélange eutectique d’acide borique et d’acide succinique (Succinic Acid) comme objet d’étude. Ce mélange a été préparé par broyage pour assurer son homogénéité.

2. Tests de propriétés thermiques
   Les propriétés thermiques du matériau ont été testées en détail par calorimétrie différentielle à balayage (Differential Scanning Calorimetry, DSC). Les tests DSC ont montré que le mélange eutectique d’acide borique et d’acide succinique subit une transition de phase à 148°C, avec une absorption d’énergie thermique réversible atteignant 380 J/g.

3. Analyse par spectroscopie Raman
   Par spectroscopie Raman (Raman Spectroscopy), l’équipe de recherche a confirmé que la réaction chimique de déshydratation de l’acide borique en acide métaborique (Metaboric Acid) se produit pendant la transition de phase. Les spectres Raman montrent un pic caractéristique de l’acide métaborique dans le mélange liquide, indiquant que la réaction chimique et la transition de phase se produisent simultanément.

4. Tests de stabilité à long terme
   Pour vérifier la stabilité à long terme du matériau, l’équipe de recherche a soumis le mélange eutectique à 1000 cycles de chauffage-refroidissement. Les résultats montrent que le matériau maintient des performances thermiques stables au cours des cycles, sans changement chimique significatif.

5. Analyse des coûts et de la durabilité
   L’équipe de recherche a également évalué les coûts et la durabilité du matériau. L’acide borique et l’acide succinique sont des matériaux peu coûteux et respectueux de l’environnement, et le processus de préparation ne nécessite pas de solvant, ce qui facilite la production à grande échelle.

Principaux résultats

1. Absorption et libération élevées d’énergie thermique
   Le mélange eutectique d’acide borique et d’acide succinique montre une absorption d’énergie thermique atteignant 380 J/g à 148°C, et peut libérer complètement cette énergie pendant le refroidissement. En tenant compte du stockage de chaleur sensible dans les applications pratiques, la capacité totale de stockage d’énergie thermique peut atteindre 394 J/g.

2. Synergie entre la réaction chimique et la transition de phase
   L’étude révèle pour la première fois que l’acide borique subit une réaction de déshydratation pendant la transition de phase, générant de l’acide métaborique et de l’eau. L’eau dans le mélange liquide peut participer rapidement à la réaction de réhydratation de l’acide métaborique, rendant l’ensemble du processus hautement réversible.

3. Stabilité à long terme
   Après 1000 cycles de chauffage-refroidissement, les performances thermiques du matériau ne montrent pas de changement significatif, indiquant une stabilité à long terme exceptionnelle.

4. Faible coût et durabilité
   L’acide borique et l’acide succinique sont des matériaux peu coûteux, et le processus de préparation ne nécessite pas de solvant, ce qui facilite la production à grande échelle. Le potentiel de réchauffement global (Global Warming Potential, GWP) du matériau est faible, et l’utilisation d’énergies renouvelables pourrait réduire davantage son impact environnemental.

Conclusion et signification

Cette étude rapporte pour la première fois un matériau de stockage d’énergie thermique “trimodal”, qui intègre les modes de stockage de chaleur sensible, latente et thermochimique pour atteindre une capacité de stockage d’énergie thermique extrêmement élevée. Le mélange eutectique d’acide borique et d’acide succinique montre une capacité de stockage d’énergie thermique atteignant 394 J/g à 148°C, avec une réversibilité et une stabilité à long terme élevées. Le développement de ce matériau offre une nouvelle solution pour le stockage des énergies renouvelables, avec des perspectives d’application étendues.

Points forts de la recherche

1. Haute capacité de stockage d’énergie thermique
   Le matériau montre une capacité de stockage d’énergie thermique atteignant 394 J/g à 148°C, dépassant largement les matériaux à changement de phase existants.

2. Synergie entre la réaction chimique et la transition de phase
   L’étude révèle pour la première fois que l’acide borique subit une réaction de déshydratation pendant la transition de phase, et que l’eau dans le mélange liquide permet une réhydratation rapide, résolvant le problème de la réversibilité des matériaux de stockage thermochimique.

3. Stabilité à long terme
   Le matériau maintient des performances thermiques stables après 1000 cycles de chauffage-refroidissement, indiquant une stabilité à long terme exceptionnelle.

4. Faible coût et durabilité
   Le matériau est composé d’acide borique et d’acide succinique, peu coûteux et respectueux de l’environnement, et le processus de préparation ne nécessite pas de solvant, ce qui facilite la production à grande échelle.

Autres informations utiles

L’équipe de recherche a également validé, par analyse par résonance magnétique nucléaire (NMR) et diffraction des rayons X sur poudre (PXRD), que le matériau ne subit pas de changement chimique irréversible pendant les cycles de chauffage-refroidissement. De plus, l’équipe a développé une méthode de préparation sans solvant, rendant le processus de production du matériau plus respectueux de l’environnement et durable.

Cette étude fournit un matériau de stockage d’énergie thermique efficace, peu coûteux et durable pour le domaine du stockage des énergies renouvelables, avec une valeur scientifique et des perspectives d’application importantes.