L'utilisation de sources d'énergie renouvelables promet de nombreux «avantages alléchants»: d'importantes économies de ressources, de meilleures conditions environnementales et même des changements sociaux dans certaines régions de la planète. Cependant, pour que ces avantages soient pleinement utilisés, il est nécessaire d'apprendre comment stocker efficacement l'énergie collectée mais non utilisée. À l'heure actuelle, le stockage souterrain est une méthode très courante. Avec leur aide, par exemple, il est possible d'utiliser le surplus d'énergie solaire collecté en été pendant les mois d'hiver. Scientifiques de l'Université Halle-Wittenberg. Martin Luther (Allemagne) a décidé de tester si l'utilisation de la cire de paraffine dans la construction d'installations souterraines de stockage d'énergie thermique peut les rendre plus fiables, durables et efficaces. Quelles expériences ont été menées pour tester cette idée, qu'ont-elles montré,et la cire est-elle aussi bonne que les scientifiques le pensaient? Nous apprenons cela dans le rapport des chercheurs. Aller.
Base de recherche
De toute évidence, pas dans toutes les régions de notre belle planète, les mêmes sources d'énergie renouvelable produiront le même rendement toute l'année. L'énergie solaire en est un excellent exemple.
Il existe plusieurs méthodes pour stocker l'énergie accumulée en excès (dans ce cas, sous forme de chaleur): latente, chimique, mécanique, etc.
Alors que les accumulateurs de chaleur latente utilisent des effets de transition de phase (par exemple eau / glace), les accumulateurs thermochimiques sont basés sur des réactions endo et exothermiques réversibles telles que l'hydratation du sel. Ces méthodes spécifiques sont assez efficaces, mais sont rarement appliquées en raison des coûts matériels initiaux élevés.
Une autre technologie courante est le stockage de l'énergie thermique dans de grandes piscines artificielles hors sol. En tant que caloporteur dans de telles structures, on utilise de l'eau ou du gravier rempli d'eau d'un volume de plusieurs milliers de mètres cubes.
Il existe de nombreuses méthodes de stockage, toutes fonctionnent à un degré ou à un autre, mais il y a aussi des problèmes, dont certains sont communs à toutes les méthodes. Le problème le plus évident est la perte de chaleur.
Pour éviter les fuites, la piscine où se trouve le caloporteur (eau, par exemple) doit être étanche et avoir une faible conductivité thermique. La solution à ce problème pour le moment est une fine coque en plastique. Cependant, les matériaux utilisés pour cette coque ne sont pas idéaux, et il y a donc toujours des fuites. La raison en est peut-être la mauvaise qualité ou la fragilité du matériau isolant, ce qui conduit à un contact entre le liquide de refroidissement et l'environnement, à partir duquel l'efficacité de l'ensemble du système diminue.
Compte tenu des problèmes décrits ci-dessus, les scientifiques ont décidé de tester la possibilité d'utiliser la cire comme matériau isolant pour éviter les fuites thermiques dans les installations de stockage.
La cire de paraffine est un mélange de molécules d'hydrocarbures avec différents nombres d'atomes de carbone. Les longueurs de chaîne en C vont de 20 à 60 pour les cires de paraffine molles et dures, et ce chiffre contrôle à la fois les points de fusion et les points de solidification du matériau. Par exemple, à une température de solidification de 42 ° C et un point de fusion de 40 ° C, les molécules ont une longueur de chaîne d'environ 21 atomes de carbone. La popularité de la paraffine dans la zone de stockage s'explique également par un assez bon indicateur de la chaleur spécifique de fusion (de 150 kJ / kg à 220 kJ / kg) et une conductivité thermique plutôt faible (de 0,15 W / m K à 0,30 W / m K, qui est d'un ordre de grandeur plus bas que celle du gravier saturé d'eau - environ 2,4 W / mK). De plus, la paraffine est un matériau hydrophobe et non toxique.
C'est une chose d'exprimer de belles théories, c'en est une autre d'avoir des preuves factuelles de sa fiabilité. Pour ce faire, les scientifiques ont mené une série d'expériences dans lesquelles différentes combinaisons de conditions ont été mises en œuvre (conditions de température, épaisseur de la membrane de paraffine testée, etc.).
Préparer l'expérience
Dans la première phase de l'étude, les scientifiques ont mesuré la perte d'énergie lors de l'utilisation de la paraffine à l'intérieur de deux sections des couches d'étanchéité de la structure PTES (pour le stockage d'énergie thermique de la fosse).
Image # 1: Schéma d'une installation expérimentale (vue de dessus) pour tester les performances thermiques, montrant l'emplacement des capteurs de température et des matériaux utilisés (PVC - film de chlorure de polyvinyle; PS - plaques de verre de polystyrène).
Image # 2: photo d'un montage expérimental avec un film PVC noir (a) et (bd) PS comme couche de scellement. Légende: 1 - matériau environnant; 2 - couche isolante de paraffine; 3 - film PVC; 4 - eau; 5 - plaques PS d'étanchéité; 6, 7 - capteurs de température dans la paraffine / eau; 8 - appareil de chauffage; 9 - caméra.
Un récipient en verre acrylique de 1000 x 300 x 600 mm (longueur, largeur, hauteur) a été utilisé comme clôture extérieure. À l'intérieur se trouvait un petit dispositif de stockage de chaleur avec de l'eau désionisée comme matériau de support. L'accumulateur lui-même (600 x 200 x 400 mm) était en outre enfermé dans une coque d'étanchéité intérieure.
Dans la première série d'expériences, le scellement a été réalisé en utilisant des plaques de verre polystyrène rigide (PS) de 5 mm d'épaisseur. Dans la deuxième série d'expériences, les plaques PS ont été remplacées par un film de polychlorure de vinyle (PVC ou PVC) d'une épaisseur de 0,5 mm, qui est généralement utilisé pour sceller les réservoirs existants.
Les scientifiques notent que la comparaison entre les feuilles de PS et de PVC leur permet de se concentrer sur la déformation mécanique potentielle lorsque la cire est incluse dans le système d'isolation, qui a été noyée entre les couches de la membrane d'étanchéité sur l'un des côtés courts du conteneur ( 2a et 2b ).
De la cire de paraffine pure a été utilisée dans les expériences. A l'intérieur de la membrane d'étanchéité, elle était répartie sur toute la surface sans vides (pores), ce qui ne serait pas le cas des composites paraffiniques.
Dans une série d'expériences avec des plaques PS, l'épaisseur de la couche de paraffine était de 20 mm ( 2b ) et le volume était de 1600 ml. Dans une série d'expériences avec le PVC, les paramètres étaient les mêmes ( 2a). La cire utilisée a un point de solidification relativement bas à 42 C et un point de fusion à environ 40 C.
Le couvercle supérieur du récipient a été fait d'un film plastique transparent pour minimiser les effets de l'évaporation. Des granulés de verre expansé ont été utilisés pour protéger davantage l'expérience des influences environnementales et pour simuler les propriétés granulaires du sol entourant le réservoir dans des conditions réelles. Étant donné que ce matériau est recyclable et que ses granulés ne dépassent pas 5 à 8 mm, il fonctionne également comme un isolant thermique externe (conductivité thermique λ = 0,084 W / mK).
Pour chauffer le fluide, un thermostat de laboratoire d'une puissance électrique de 2 kW ( 2c et 2d), tandis qu'un élément chauffant avec une pompe de circulation était installé au centre de la colonne d'eau. Ainsi, une imitation de la procédure de chargement direct a été créée sans stratification thermique dans le bassin et une distribution uniforme de la température a été obtenue dans toutes les zones de l'environnement. Deux multiplexeurs à 20 canaux Keysight 34901A et un Keysight 34972A ont été utilisés pour la mesure de la température et l'enregistrement des données. Au total, 15 capteurs de température ( 2d ) Pt100 ont été connectés (caractéristiques: acier inoxydable, étanche, 4 fils, longueur 500 mm, pointe de mesure 20 mm, précision 1/10 DIN).
La précision des capteurs dépend directement de la température. Dans la plage de températures de toutes les expériences, elle allait de ± 0,04 ˚C (à 20 ˚C) à ± 0,06 ˚C (à 60 ˚C). Trois capteurs étaient directement intégrés dans la cire elle-même à différentes hauteurs.
Les expériences ont été surveillées visuellement à l'aide d'une caméra HD installée.
Image n ° 3: a - schéma du processus d'expériences pour déterminer les caractéristiques thermiques; b - phases de l'expérience (rose - délai de chauffage / refroidissement dû aux effets aléatoires de phase; lignes: bleu - eau, vert - paraffine, jaune - matériau environnant).
La deuxième étape de l'étude a consisté à vérifier la perte de chaleur dans le cas de l'utilisation de paraffine.
Les tests d'étanchéité ont confirmé le mécanisme d'auto-guérison souhaité lors de l'utilisation de cire de paraffine dans les membranes de stockage imperméabilisantes. La cire étant utilisée sous sa forme pure, elle présente une transition thermique directe avec les interfaces des couches interne et externe et doit donc d'abord fondre dans la phase de chauffage. Par la suite, il doit se présenter sous la forme d'un liquide mobile hydrophobe pour fermer les chemins vers le matériau environnant plus froid en cas de fuite.
Image n ° 4: Schéma d'un dispositif expérimental de contrôle des fuites (vert - paraffine, bleu - eau, rouge - couche PVC, jaune - matériau environnant. Les points indiquent la position des capteurs.
Image n ° 5: a - photo du montage expérimental; b - fissure dans un film PVC avec de la paraffine qui s'échappe; c - sable avec de la paraffine; d - connexion imperméable du matériau environnant avec les espaces poreux remplis de paraffine.
Les équipements d'exploitation et de mesure (capteurs, chauffage, etc.) étaient les mêmes que dans la configuration expérimentale précédente. Les différences ne concernaient que certaines dimensions: l'enveloppe extérieure en polystyrène était plus petite (400 x 200 x 200 mm) et le matériau environnant n'était installé que sur un côté du conteneur ( 5a ). Couche de paraffine épaisseur 20 mm (800 cm 3) a été appliquée en contact direct avec le remplissage d'eau désionisée interne (280 mm x 200 mm x 200 mm). Dans la plaque extérieure en PS, une fenêtre de 50 x 50 mm a été recouverte d'une feuille de PVC pour simuler divers types de fuites de scellant telles que des fissures, de grands trous et des zones perforées ( 5b ).
La surface du matériau entourant le récipient était finalement de 100 x 200 x 200 mm, ce qui a permis d'observer clairement et de mesurer assez précisément le rendement en paraffine et sa dispersion ( 5c et 5b ).
Le matériau environnant était composé de deux substances, dont chacune a été utilisée dans une série d'expériences distincte: du sable fin (granulométrie: 0,063 à 2 mm) a été utilisé pour simuler des conditions réelles; des billes de verre d'un diamètre de 3 mm pour simuler la structure de grain idéale et pour tester le comportement de la cire fondue dans des environnements avec un espace très poreux ( 5a ).
Image n ° 6: a - schéma du processus d'expériences sur les fuites; b est une vue de dessus des régions de cire formées après une fuite.
Résultats expérimentaux
Les graphiques ci-dessous (# 7 et # 8) montrent les résultats des tests de performance thermique dans les phases de chauffage et de refroidissement pour les six paramètres expérimentaux sélectionnés.
Image n ° 7: a - chauffage retardé du stockage thermique du laboratoire en raison de la fusion de la cire de paraffine; b - chaleur supplémentaire accumulée dans la cire de paraffine pendant la phase de chauffage.
Image n ° 8: a - refroidissement retardé de l'accumulateur de chaleur du laboratoire en raison du durcissement à la paraffine; b - chaleur supplémentaire dégagée par la paraffine, mesurée en phase de refroidissement.
Les scientifiques notent que les premiers résultats positifs des expériences pouvaient déjà être vus lors de l'évaluation de la photographie time-lapse, puisque les composants liquides pouvaient être observés même à basse température. Par conséquent, même les expériences où les températures cibles sont inférieures au point de fusion de la cire de paraffine utilisée montrent des effets de retard et de stockage / réutilisation de chaleur significatifs.
Cela peut être dû à la composition de la cire de paraffine, car la paraffine utilisée dans les expériences n'est pas un matériau hautement purifié. Puisqu'il contient des molécules d'hydrocarbures de différentes longueurs, le fractionnement se produit lorsqu'il est chauffé ou refroidi, et différentes régions partielles fondent et se solidifient à différentes plages de température.
Il convient de noter que cela s'applique à tous les changements de phase induits, conduisant non pas à des transitions claires et nettes, mais à des transitions douces et lentes.
De plus, nous avons analysé les déformations de la couche de paraffine lors de la fusion lors de l'utilisation d'un film PVC. Le déplacement de la cire de paraffine en raison de la pression de la charge vers le matériau environnant a abouti à un renflement en forme de coin. Il en résulte que l'épaisseur de la couche isolante de paraffine est devenue non uniforme verticalement (plus épaisse en haut, déjà plus basse en raison du déplacement). Cependant, ces effets secondaires peuvent être atténués en utilisant un film de polystyrène isolant supplémentaire.
Après avoir analysé les données visuelles (enregistrements de caméra), les scientifiques ont procédé à l'analyse des données de température, en commençant par la phase de chauffage (image n ° 7). L'analyse a montré des retards importants dus à la fusion de la cire dans les six cas de test. Ceci est remarquable en ce que cette phase est relativement courte avec une augmentation linéaire de la température de 0,49 à 0,71 K / min.
Plage de valeurs de la période de retard ( 7a) de divers paramètres expérimentaux est grande, de 360 s à 1600 s (le délai de fusion moyen est d'environ 1000 s). Ce chiffre est 80% plus élevé que dans le cas de l'utilisation d'un film PVC classique. Par conséquent, les résultats de tous les tests confirment que l'effet recherché de l'utilisation de la paraffine a été obtenu: le chargement rapide du stockage peut être efficacement retardé par le processus de fusion de la cire. De plus, ces tests indiquent en outre une diminution des pertes de chaleur latérales.
La figure 3b montre qu'il existe une corrélation étroite entre le temps de retard et l'énergie thermique accumulée pendant la phase de chauffage ( 7b). Par conséquent, les valeurs énergétiques montrent également des fluctuations importantes, de l'ordre de 4,21 à 12,44 kJ / kg avec une valeur moyenne de 6,55 kJ / kg. Ces valeurs sont assez faibles, cependant, la détection de processus de fusion plus lents peut être aggravée par un chauffage rapide.
Quant au matériau d'étanchéité, son effet est assez insignifiant. La différence entre le PVC et le PS à la même température est faible et la valeur du PS, égale à 5,78 kJ / kg, n'est pas beaucoup plus élevée que la valeur moyenne de 6,71 kJ / kg pour toutes les expériences avec le PVC.
Sur la base des systèmes de stockage d'énergie thermique (PTES) les plus courants, avec un volume de stockage de 50 000 m 3, l' épaisseur de la couche de paraffine doit être d'environ 0,1 m pour un volume de 1 000 m 3 .
Les résultats montrent finalement une augmentation de la capacité de stockage d'environ 3,16 · 106 MJ (0,88 MWh) à 9,33 · 106 MJ (2,59 MWh). En d'autres termes, l'utilisation de la paraffine augmentera légèrement la quantité d'énergie stockée. Bien que la différence ne soit pas très grande, elle peut être considérée comme un bonus agréable, étant donné que l'essence de la paraffine n'est pas d'augmenter le volume, mais de le préserver (dans la lutte contre les fuites).
De plus, des calculs et une évaluation de la dynamique et de l'influence de la cire de paraffine sur le système pendant la phase de refroidissement ont été réalisés (image n ° 8).
Comme on pouvait s'y attendre, la phase de refroidissement se traduit non pas par un gradient linéaire de température et d'énergie, mais par une diminution exponentielle, convergeant vers la température ambiante. En conséquence, cette étape couvre des périodes de temps beaucoup plus longues jusqu'à ce que la température du système soit égale à la température ambiante ( 8a ; moyenne 95 heures, maximum 144 heures).
Les premiers résultats de l'analyse de la phase de refroidissement montrent déjà des différences significatives, puisque les périodes de ralentissement provoquées par le durcissement de la cire de paraffine sont de plusieurs ordres de grandeur plus élevées ( 8a). Ils varient de 8500 s (~ 2,5 h) à environ 17 000 s (~ 4,7 h), avec une valeur moyenne de 14 000 s (~ 3,9 h). De plus, la différence marquée entre les valeurs de PS et de PVC à la même température (34 ° C) indique un effet significatif du matériau d'étanchéité, car plus de cire de paraffine peut être utilisée pour éviter les processus de déformation. Cependant, à des températures de fonctionnement plus élevées, il n'y a pas de tendance claire à l'augmentation du temps de retard.
D'une manière générale, les résultats des retards de la phase de refroidissement démontrent une applicabilité plus efficace de la cire dans le cadre du stockage d'énergie. En conséquence, la raideur des gradients thermiques vers l'environnement peut être réduite et les pertes d'énergie minimisées.
Bien que la courbe de refroidissement naturel utilisée dans les expériences ne reflète pas adéquatement les conditions de stockage et de décharge d'énergie intermittente dans l'application spécifique de la cire de paraffine, les résultats prouvent que le refroidissement est retardé par l'énergie récupérée lorsque la cire de paraffine se solidifie. Ainsi, les processus de décharge à court terme peuvent être tamponnés et compensés sur une période plus longue, ce qui conduit à une diminution plus lente de la température dans le boîtier de stockage et, par conséquent, à un effet moindre sur la structure du matériau d'étanchéité (et, par conséquent, sur sa durabilité).
Si nous traduisons les résultats du laboratoire en conditions réelles, ils montrent qu'un volume de cire de 1000 m3 fournira une capacité de stockage supplémentaire de 12,01 MWh à 40,70 MWh (moyenne 28,77 MWh).
Image n ° 9: mesures des formations de paraffine et des matériaux environnants avec différentes variantes de déformation du conteneur.
Comme nous le savons déjà, dans le concept que nous envisageons aujourd'hui, la paraffine peut servir de "bouchage" des déformations formées des parois extérieures du conteneur de stockage.
Les formes des différents types de fuites (fissures, trous ronds, etc.) étant très variables, il serait inapproprié de prendre en compte leur longueur ou leur diamètre. Par conséquent, il a été décidé d'utiliser la zone de déformation totale comme paramètre auxiliaire pour comparer les dimensions («A» dans l'image # 9).
Malgré les différentes dynamiques des déformations dues à leurs caractéristiques globales et géométriques, la technique d'autocicatrisation des parois due à la paraffine a donné d'excellents résultats. Le principe est vraiment simple: en cas de fissure (ou de toute autre déformation), la paraffine entre en contact avec le matériau environnant, dont la température est suffisamment basse pour provoquer son durcissement, ce qui conduit à un blocage du trou.
Pour comprendre combien de paraffine sera perdue du volume total en cas de "réparation" de déformation, une analyse comparative de la masse et du volume des corps formés dans ce processus a été réalisée.
Image n ° 10: masse (a) et volume (b) des corps formés après la fuite induite, constitués de paraffine et de matière environnante.
L'analyse a montré que la proportion de paraffine dans les corps formés est de 36% à 67%. Il en résulte que la paroi de paraffine perd de 5 cm3 à 80 cm3 de son volume. Compte tenu du volume total de 800 m3, les pertes de paraffine sont faibles et varient de 1,5% à 17%.
Ces résultats prouvent que les propriétés d'autocicatrisation de la paraffine peuvent être appliquées sans consommation significative du matériau utilisé et que l'approche proposée fonctionne assez efficacement.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et des éléments supplémentaires .
Épilogue
Beaucoup de choses que les gens utilisent depuis des siècles ont des propriétés et des utilisations potentielles auxquelles personne n'avait pensé auparavant. La paraffine en est un excellent exemple.
Les ressources de notre planète ne sont pas illimitées, et nous les consommons tellement. Par conséquent, le développement des technologies d'énergie renouvelable devrait recevoir une attention maximale. Alors que certains scientifiques s'intéressent à la collecte de l'énergie verte, d'autres tentent de créer la méthode parfaite pour la stocker.
Cette étude ne décrit pas tant une nouvelle méthode qu'une modification de la méthode existante. Dans le stockage souterrain de l'énergie actuellement applicable, le principal problème est sa fuite. Les auteurs de ce travail ont suggéré que la paraffine pourrait être un moyen bon marché et efficace de résoudre ce problème. Et cela n'est pas surprenant, car la paraffine possède un certain nombre de propriétés utiles: de l'hydrophobicité à un point de fusion bas.
Des résultats expérimentaux ont montré que l'utilisation d'un petit volume de paraffine comme enveloppe supplémentaire pour le stockage d'énergie réduit considérablement les fuites et augmente la capacité du système à stocker la chaleur.
À l'avenir, les scientifiques ont l'intention de trouver comment traduire ces résultats de laboratoire inspirants à une échelle industrielle, car avec une augmentation banale de la taille du système, sa dynamique change.
Cependant, quelles que soient les difficultés qui s'opposent à cette recherche, les scientifiques ne doutent pas de son importance, car les nouvelles données, les nouvelles technologies et les développements sont d'une grande importance pour l'ensemble de l'industrie des énergies renouvelables, dont l'humanité a si désespérément besoin.
Merci pour votre attention, restez curieux et passez un excellent week-end, les gars!
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