Un nouveau composite chaud comme de la lave pourrait révolutionner l'abordabilité de l'énergie solaire

Une équipe dirigée par l'Université Purdue a dévoilé un nouveau composite solaire susceptible d'améliorer considérablement l'efficacité et le coût des centrales solaires à concentration, selon une nouvelle étude publiée dans La nature la semaine dernière. Cette collaboration entre le Georgia Institute of Technology, l’Université de Wisconsin-Madison et le Oak Ridge National Laboratory espère accroître l’utilisation actuelle de l’énergie solaire aux États-Unis, qui représente moins de 2% de notre production d’électricité. Mais le nouveau matériel de l’équipe pourrait révolutionner le secteur de l’énergie solaire concentrée.

«Je pense que nous sommes intimement proches», déclare Kenneth Sandhage, professeur à Purdue. Inverse.

Le composite, composé de carbure de zirconium cer amique et de tungstène mét al, appartient à une catégorie de matériaux appelés «cermets», connus pour leur capacité à résister à des températures et à des pressions élevées. Popularisés après la Seconde Guerre mondiale pour leur utilisation dans les réacteurs, l'US Air Force (ceux qui ont inventé le terme), les «cermets», sont devenus un incontournable pour les avions et les fusées spatiales. Et les remplacements de hanche.

L’équipe Purdue a pris note des qualités du cermet et a découvert un nouvel environnement à haute température pour le tester: les centrales à concentration.

Opposées à une ferme solaire photovoltaïque typique avec des panneaux inactifs installés sur des fermes ou des toits, les centrales solaires à concentration sont essentiellement la version à grande échelle et bien intentionnée de fourmis en feu sous une loupe. Ces plantes utilisent des miroirs ou des lentilles pour concentrer l'énergie du soleil. Au lieu de fourmis mortes, la chaleur est transférée aux sels fondus. Des plaques en acier inoxydable ou en alliages à base de nickel sont utilisées pour transférer la chaleur des sels dans un fluide qui se dilate pour faire tourner une turbine, ce qui vous donne finalement de l'électricité. Purdue a utilisé le CO2 en question comme fluide supercritique, à savoir le CO2 à des températures et des pressions si élevées qu'il existe quelque part entre un liquide ou un gaz.

Cette technique de collecte de la chaleur du soleil signifie que les centrales électriques concentrées obtiennent chaud. Le matériau des plaques utilisées pour transférer la chaleur constitue un goulot d'étranglement dans le système: les alliages actuels à base d'acier inoxydable ou de nickel atteignent une capacité d'environ 550 degrés Celsius avant de se ramollir, soit un peu moins de 100 degrés plus chaud que la planète la plus chaude de notre système solaire, Vénus.

Après des tests mécaniques au laboratoire national d'Oak Ridge, l'équipe a découvert que le nouveau composite nous permettait d'aller encore plus chaud, à environ 750 degrés Celsius, ce qui est du côté froid de la lave. Le cermet de Purdue est également deux à trois fois plus conducteur que la norme actuelle de l’industrie.

En plus d'atteindre des niveaux de chaleur brûlants, cette différence de température permet à une installation d'augmenter sa conversion de chaleur en électricité de plus de 20%. À grande échelle, la nouvelle efficacité du composite céramique-métal serait moins chère que les matériaux actuels et pourrait permettre de réduire considérablement les émissions de dioxyde de carbone.

Aussi impressionnants que soient les métaux céramiques, l'équipe a d'abord été confrontée à des problèmes de corrosion, car le CO2 supercritique oxyderait les plaques, réduisant ainsi leur productivité. Mais s’appuyant sur des concepts de chimie fondamentaux, ils ont compris qu’ajouter une couche de cuivre à la surface des plaques de cermet et ajouter 50 parties par million de monoxyde de carbone au CO2 supercritique atténuait le problème. L'équipe a déposé un brevet pour le nouveau matériau.

À compter de 2018, les centrales solaires à concentration produisent chaque année environ 1 400 MW d'énergie pour les États-Unis. Bien qu’il soit actuellement moins coûteux de récolter la lumière du soleil en utilisant la technologie photovoltaïque traditionnelle, les batteries pour la stocker sont chères - c’est en fait moins cher de stocker la chaleur, comme cela se fait via l’énergie solaire concentrée. Avec ce nouveau composite, le coût de la récupération de chaleur diminue. Combiné à la capacité de contribuer à combler le fossé énergétique présenté par le solaire pendant la nuit, cela rend le solaire concentré beaucoup plus compétitif.

«Je pense que c’est une période passionnante dans le domaine de l’ingénierie des matériaux», commente Sandhage. «Nous sommes confrontés à de très graves problèmes, mais il s’agit de faire le travail acharné de l’ingénierie pour obtenir les bons matériaux, créer le bon design et continuer à éliminer les problèmes. Nous sommes ravis du rôle que nous pouvons jouer."