La batterie à régénération thermique produit une grande quantité d’énergie en utilisant la chaleur résiduelle de faible qualité

La batterie à régénération thermique produit une grande quantité d'énergie en utilisant la chaleur résiduelle de faible qualité

Le crédit: Journal des sources d’énergie (2022). DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.231339

Les batteries à ammoniac à régénération thermique peuvent produire de l’électricité à la demande à partir de la chaleur résiduelle de faible qualité. Selon une équipe dirigée par des chercheurs de Penn State, un nouveau processus de création de ces batteries améliore leur stabilité et leur abordabilité et pourrait aider à résoudre le problème croissant de stockage d’énergie à l’échelle du réseau dans le pays.

“Nous pouvons utiliser l’ammoniac comme vecteur d’énergie pour exploiter la chaleur perdue et recharger certaines chimies de la batterie”, a déclaré Derek Hall, professeur adjoint d’ingénierie énergétique. “Mais les chimies de batterie précédentes utilisaient des électrodes métalliques en zinc ou en cuivre, qui présentaient des revers majeurs en termes de stabilité des électrodes. Ce que nous avons fait, c’est remplacer ces réactions basées sur les dépôts par une nouvelle chimie complexe du cuivre pour résoudre bon nombre des problèmes majeurs auxquels sont confrontés les chercheurs précédents. “

La chaleur résiduelle de faible qualité est une source importante d’énergie inutilisée aux États-Unis et dans le monde, avec 60 térawattheures d’énergie rejetés dans l’environnement chaque année par les centrales électriques et l’industrie, selon des études récentes. Il existe des technologies capables de transformer cette chaleur résiduelle de faible qualité en énergie, notamment les cellules thermo-électrochimiques (TEC), les cycles électrochimiques à régénération thermique (TREC) et les batteries à ammoniac à régénération thermique (TRAB) ; Cependant, il existe encore de nombreuses limitations à ces configurations de batterie.

Les TEC à semi-conducteurs sont plus simples à utiliser que les systèmes électrochimiques, mais présentent des densités de puissance exceptionnellement faibles et n’ont pas la capacité de stocker de l’énergie. Les TEC et les TREC ont des rendements thermiques plus élevés mais souffrent toujours de faibles densités de puissance, ce qui limite leur viabilité. Parmi eux, les TRAB ont les plus grandes densités de puissance avec des efficacités énergétiques qui sont compétitives avec les autres technologies de chaleur de faible qualité, mais se sont appuyés soit sur des métaux précieux d’un coût prohibitif comme l’argent, soit sur des électrodes métalliques usagées qui se dégradent rapidement, ont déclaré les scientifiques.

Les chercheurs de Penn State ont voulu tester des complexes de cuivre entièrement aqueux dans des TRAB dans l’espoir qu’ils puissent améliorer à la fois les performances et la durabilité de la batterie. Leurs résultats ont été publiés récemment dans le Journal des sources d’énergie.

“L’approvisionnement et la fabrication du cuivre sont beaucoup plus faciles par rapport à d’autres éléments rares et minéraux critiques utilisés dans les batteries”, a déclaré Hall. “Si elles sont développées, des chimies de batterie comme celles-ci peuvent aider à résoudre notre problème croissant de stockage d’énergie à l’échelle du réseau en exploitant ces énormes sources de chaleur résiduelle inutilisées.”

Étant donné que les réactions de cuivre entièrement aqueuses n’ont jamais été utilisées dans une batterie à ammoniac à régénération thermique auparavant, Hall a déclaré que la première étape consistait à voir si cette chimie fonctionnerait.

Les TRAB fonctionnent de la même manière que les autres batteries à flux hybrides et conventionnelles. Les électrolytes des batteries sont contenus dans des réservoirs de stockage, qui sont pompés dans un réacteur électrochimique pour produire ou stocker de l’électricité. La taille du réacteur est directement corrélée à la capacité énergétique et la taille du réservoir est corrélée à la capacité énergétique. La plupart des TRAB sont des concepts de batteries à flux hybrides car ils fonctionnent à l’aide de réactions redox qui déposent et appauvrissent les métaux au niveau des électrodes. Contrairement aux autres batteries à flux, cependant, les TRAB peuvent se recharger en utilisant de la chaleur résiduelle de faible qualité grâce à un processus de séparation de l’ammoniac.

Les chercheurs ont étudié les limites de la puissance et de la densité d’énergie et comment elles sont impactées par la composition de l’électrolyte et les courants de décharge à travers une série de tests sur une seule cellule. En augmentant la concentration d’ammoniac, la densité de puissance de la batterie a augmenté, mais la densité d’énergie a diminué. L’augmentation des densités de courant de décharge a augmenté la densité de puissance moyenne pendant la décharge sans pertes substantielles de densité d’énergie. L’augmentation de la concentration de cuivre a augmenté à la fois la densité d’énergie et l’efficacité énergétique, mais n’a pas eu d’impact important sur la densité de puissance. Selon la composition de l’électrolyte, la batterie a produit une densité de puissance allant jusqu’à 30 milliwatts par centimètre carré et des densités d’énergie jusqu’à 2 wattheures par litre. Ces résultats représentent certaines des performances les plus élevées jamais atteintes pour un système de récupération de chaleur résiduelle à faible teneur en électricité à base de membrane.

“Ce que cette batterie résout est une lacune technique dans notre processus d’utilisation de l’énergie”, a déclaré Hall. “Seule une fraction de la chaleur entrante que nous utilisons pour les combustibles fossiles est transformée en énergie utile. Plus de 50 % est gaspillée dans certains cas, donc être capable d’avoir quelque chose comme ça qui peut utiliser ce flux de déchets et créer plus d’énergie, fournit plus valeur de ces précieuses ressources. C’est bon pour l’environnement en nous rendant plus économes en énergie.

Les prochaines étapes des chercheurs consistent à optimiser davantage la conception elle-même et à examiner comment cette technologie peut être mise en œuvre sur le terrain à la fois du point de vue de la conception du système et des perspectives économiques. Ils veulent explorer comment il s’intégrerait dans un système d’énergie thermique et quelle serait l’empreinte physique dont il aurait besoin pour produire des quantités utilisables d’électricité et d’énergie.

“La transition énergétique mondiale va se produire de multiples façons car la décarbonation doit se produire dans de nombreux secteurs différents”, a déclaré Nicholas Cross, doctorant en génie chimique à Penn State et auteur principal du projet. “Cette technologie pourrait faire avancer cette transition de comment et où l’électricité et l’énergie sont produites en couplant de nouveaux systèmes dans une infrastructure déjà existante.”


Batterie hybride à flux redox avec une longue durée de vie


Plus d’information:
Nicholas R. Cross et al, Compromis de puissance et de capacité énergétique dans une batterie d’ammoniac à régénération thermique en cuivre entièrement aqueuse, Journal des sources d’énergie (2022). DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.231339

Cynthia Haddad et al, Quelques solutions efficaces pour récupérer la chaleur résiduelle faible et moyenne : Compétitivité de la technologie thermoacoustique, L’énergie a procédé (2014). DOI : 10.1016/j.egypro.2014.06.125

Fourni par l’Université d’État de Pennsylvanie

Citation: La batterie à régénération thermique produit une grande quantité d’énergie en utilisant une chaleur résiduelle de faible qualité (12 juillet 2022) récupéré le 12 juillet 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-07-thermally-regenerative-battery-ample-energy.html

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