Batterie de sable

Groupe de recherche sur les technologies de durabilité appropriées et gratuites (FAST) de l'Université Western Lire la suite...Nous recherchons des étudiants pour créer un avenir décentralisé grâce à l'impression 3D et au recyclage open source alimentés par l'énergie solaire. Contactez le Dr Joshua Pearce - Postulez ici

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Technologie des batteries au sable : une solution prometteuse pour le stockage des énergies renouvelables ^[1]

• Sable : abondant, peu coûteux, disponible, non toxique
• électrodes à base de sable -> stocker et libérer de l'énergie
• Utilisation dans les systèmes résidentiels à petite échelle jusqu'au stockage à grande échelle au niveau du réseau
• Avantages :
  • Densité énergétique élevée
  • Longue durée de vie du cycle
  • Stabilité du cycle
  • Sécurité
  • Potentiel de stockage des énergies renouvelables
• Électrodes à base de sable --> potentiel dans les Li-ion et les supercondensateurs
• Technologies de stockage d’énergie à base de sable :
  • Stockage d'énergie thermique.
  • Stockage d'énergie mécanique.
  • Stockage d'énergie électrochimique.
• Matériaux nécessaires:
  • Sable
    • support de stockage
    • devrait avoir une conductivité thermique élevée
    • faible masse thermique
    • résister à des températures élevées
  • Générateurs thermoélectriques
    • Énergie thermique du sable en énergie électrique (décharge : pour la production d'électricité, l'industrie électrique, le chauffage des locaux)
    • sélection : température de changement de phase et capacité de stockage d'énergie.
  • Électrodes/bobine chauffante
    • Transférer l'énergie thermique entre le sable et le générateur thermoélectrique
    • feuilles de graphite ou de métal
  • Isolation
    • Réduire les pertes de chaleur lors de la charge et de la décharge
    • Améliore l'efficacité
  • Source de chaleur:
    • charger la batterie et chauffer le sable
    • Il peut s'agir d'énergie solaire, de chaleur résiduelle industrielle, d'énergie thermique renouvelable ou non renouvelable.
  • Récipient
    • Contient tout
    • Résiste aux températures élevées et aux contraintes thermiques.
• Conception -> basée sur la quantité d'énergie thermique requise et la durée de stockage
• Production et stockage d'énergie :
  • éolien / solaire --> électricité
  • 30%--> alimenter immédiatement les infrastructures locales
  • 70% --> stocker dans une batterie de sable et chauffer à 600-1000°C
  • énergie solaire plus faible -> utiliser l'énergie stockée
• Charge:
  • Chauffer jusqu'au sable --> augmenter la température --> jusqu'au seuil --> pleine énergie
  • type de sable et source de chaleur --> temps de charge différent
• Décharge:
  • sable --> exposer à un dissipateur thermique ou à un dispositif qui extrait la chaleur
  • chute de température du sable --> libération d'énergie sous forme de chaleur
  • Type de sable et température du dissipateur thermique -> temps de décharge différent
• Type de batterie de sable :
  • Stockage indirect de la chaleur :
    • fluide caloporteur (transfère la chaleur vers et depuis le sable)
    • fonctionnement à température plus élevée
    • grande empreinte physique
  • Stockage direct de la chaleur
    • Contact direct avec la source de chaleur et le dissipateur de chaleur
    • fonctionnement à basse température
    • compact
  • Stockage thermochimique de la chaleur
    • réaction chimique
    • stocker plus d'énergie
    • temps de charge et de décharge plus long
  • Stockage de chaleur hybride
  • Combinaison de direct et d'indirect
  • densité énergétique plus élevée
  • charge et décharge plus rapides
• Application
  • Stockage d'énergie renouvelable
  • Chauffage et refroidissement
  • Alimentation de secours d'urgence
• Défis
  • Efficacité --> dépend du matériau/de la conception/des conditions de fonctionnement
  • exploitation temporaire
  • Augmenter

Batterie au sable : une solution innovante pour le stockage des énergies renouvelables (une étude) ^[2]

• EAU --> vise à utiliser 7 % de son énergie à partir de sources renouvelables (notamment solaire) --> mais le défi --> les déserts de sable des EAU
• Composition du sable : dioxyde de silicium
• Zones à température inférieure à zéro --> chaleur solaire/stockage thermique sur lit de sable prometteur
• TE à base de sable sec --> Haute température et haute énergie --> peut être utilisé dans les infrastructures d'installations telles que les parkings
• Matériaux disponibles : sable et roches
• Structures de stockage cyclique installées : Allemagne, Canada, Turquie, Corée, Pays-Bas, États-Unis, Finlande, France et Suisse
• Sable : stockage jusqu'à 1000 °C, perte de masse nulle, coûts de possession et de maintenance réduits, taux d'échange d'énergie améliorés et stables
• milieu sableux : dans un seul bassin solaire --> augmente la moyenne annuelle de la production journalière de 23,8 % (par rapport à l'absence de sable), conserve l'énergie thermique pendant une période prolongée, peut être utilisé en hiver (quand il n'y a pas d'énergie solaire disponible)
• Principe:
  • 30% des renouvelables utilisées, 70% stockées dans le sable --> augmenter la température à 600-1000
• Composant de la batterie :
  • boîtier en acier --> tuyauterie de transmission de sable et de chaleur
  • Externe -> mécanismes mécaniques, régulateurs, échangeurs de chaleur, ventilateur
• Opération:
  • Charge
  • Stockage
  • Décharge
• Mécanisme:
  • Faire circuler de l'air chaud autour du sable --> Les énergies renouvelables contrôlent un radiateur électrique à résistance pour augmenter la température de l'air à proximité du sable
  • tube d'échange de chaleur par un ventilateur
  • Isolation dense --> couverture --> maintien de la température
  • Décharge : souffler de l'air froid --> chauffer --> peut vaporiser de l'eau
  • TABLEAU COMPARATIF DES DIFFÉRENTS SYSTÈMES TES DISPONIBLES
• Inconvénients :
  • Plage de température limitée (300-1000)
  • Charge lente
  • Faible densité de puissance
  • L'utilisation des terres
  • Transport
• Récent:
  • optimiser la taille et la distribution des particules
• Application
  • Stockage au niveau du réseau
  • des appareils portables
  • systèmes d'alimentation hors réseau
  • chauffage industriel
  • chauffage des bâtiments
  • chauffage urbain
  • agriculture
  • Systèmes miniers

Utilisations des sables dans les technologies solaires thermiques ^[3]

• particules de roche ou de minéraux-->silice (quartz), feldspath, carbonates, micas, amphiboles, pyroxènes--> 0,06 à 2 mm de diamètre
• 6 % de la superficie terrestre (6 % de la superficie terrestre de la Terre dans différentes régions)
  • 2% Amérique du Nord
  • plus de 30% en Australie
  • plus de 45 % en Asie centrale
• 11 $ et 58 $ la tonne métrique
• capacités thermiques spécifiques : entre 700 et 1000 J/kg◦C
• La conductivité thermique dépend de la porosité, de la granularité, de la teneur en humidité et de la minéralogie
  • moins poreux --> conductivité thermique plus élevée
  • Particules plus petites -> moins de conductivité thermique
  • saturé en eau --> conductivités thermiques plus élevées
  • Conductivité thermique du quartz : 7,7 W/mK
  • autres constituants du sable conductivités thermiques : de 2,5 à 3,6 W/mK
• non toxique, non corrosif et ininflammable
• Du sable dans le solaire
  • Stockage d'énergie thermique
  • Absorption solaire
  • Transfert de chaleur
  • isolation thermique adaptée
  • grande surface --> évaporation de l'eau comme moyen d'évaporation
• Distillation solaire
  • rayonnement solaire --> obtenir de l'eau douce à partir d'eau impure
  • Limite : faible rendement en journée et nul la nuit
  • avec du sable
    • remplir la zone sous le revêtement du bassin, le bassin lui-même / en utilisant des récipients tels que des boîtes métalliques, des sacs en coton ou des pots de boue
    • maintenir des températures plus élevées
    • augmenter la surface d'évaporation par capillarité
    • sable fin et uniforme mieux, noir mieux, épaisseur minimale mieux, pas de hauteur d'eau au-dessus
• Chauffage solaire
  • Capteurs solaires thermiques + supports de stockage d'énergie thermique
  • Teneur élevée en quartz, faible porosité et teneur élevée en humidité
  • Sable sec à faible teneur en quartz
• Stockage d'énergie thermique dans un réservoir
  • Eau : capacité thermique spécifique élevée mais perte de chaleur --> Réservoirs environnants avec sable à faible conductivité thermique ; Sol sableux : capacité thermique et conductivité thermique inférieures --> moins de perte de chaleur des réservoirs par rapport au sol granitique
  • Exiger
    • Faible capacité thermique spécifique et conductivité thermique
    • Sec
    • profondeur suffisante
• Stockage d'énergie thermique dans les aquifères (ATES)
  • contiennent des couches de sable poreuses et perméables
  • eau chaude en été--> injecter dans l'aquifère--> chauffer le sol et l'eau existante--> extraire la chaleur en hiver, par exemple 72% de récupération dans la formation de Gassum au Danemark
  • Exiger
    • Capacité thermique et conductivité thermique élevées
    • Porosité et perméabilité élevées
• Stockage d'énergie thermique en forage (BTES)
  • chaleur vers le sol par des échangeurs de chaleur à tubes en U en été -> extraction en hiver
  • sable à haute teneur en quartz et faible porosité --> bon sur la bentonite ou le gravier
  • 50% de chaleur en plus pour une durée 50% plus longue par rapport au gravier --> 78% d'efficacité
  • Belgique : efficacité de stockage annuelle de 70 %
  • Exiger
    • conductivité thermique élevée et capacité de stockage de chaleur
• Stockage d'énergie thermique à lit fixe
  • utiliser du sable compacté dans des fosses isolées
  • 64% à 91% d'économies
  • 65 à 75 % des besoins en eau chaude sanitaire
  • Finlande
  • Sable --> rempli dans des conteneurs ou des fosses, le fluide caloporteur circule à travers le lit --> Transfert de chaleur en faible demande (été) et extraction en forte demande
  • Exiger
    • conductivité thermique et capacité thermique spécifique élevées
• Amélioration de la serre solaire
  • murs de stockage thermique (murs Trombe) --> augmenter les températures de l'air et du sol dans les serres
  • composé de : surface noircie (absorbe le rayonnement solaire, transférant la chaleur au sable), sable et isolant
  • serres avec murs de stockage thermique en sable
    • température de l'air diurne -> augmentation de 6,4°C au-dessus de la température ambiante, température nocturne -> augmentation de 1,1°C
    • Température du sol -> profondeur jusqu'à 8 cm -> augmentation de 6,4°C pendant la journée et de 4°C la nuit
    • floraison plus précoce (de 14 jours), maturité plus précoce (de 20 jours) et rendements plus élevés (de 33,4 %)
• Séchoirs solaires
  • rayonnement solaire --> produits agricoles ou alimentaires secs
  • quartz, sable, gravier, minéraux du sol, grès, roches, calcaire, pierre de granit, sol, argile, déchets de béton, briques réfractaires et eau
  • sable:
    • dans la chambre de séchage et le réchauffeur d'air solaire --> réduire le temps de séchage et éviter la réabsorption de l'humidité pendant la nuit
    • augmenter la surface de l'absorbeur et la rugosité
    • sable fin peint en noir et capacité thermique massique et conductivité thermique élevées
• Cuisine solaire
• Énergie solaire à concentration (CSP)
  • exécuter un bloc d'alimentation
• Quel sable ?
  • Impuretés dans le quartz (devraient être inférieures à 2 %) --> densité énergétique moindre
  • Argiles, carbonates et feldspaths --> agglomération, dégradation / capacité thermique spécifique réduite
    • Argiles --> agglomération plus élevée à 600°C
    • Carbonates --> décarbonatation en dessous de 800°C --> perte de masse et altération de la granulométrie
    • Feldspaths --> vitrification en dessous de 1200°C --> agglomération --> impact sur le mouvement du sable.
  • Taux de refroidissement modérés ~ 573°C requis
  • En dessous de 1200°C --> quartz à cristobalite --> fissure du grain
• Gazéification solaire
  • gazéification : matières carbonées (comme le coke, le charbon, la biomasse) --> carburants ou produits chimiques
  • Méthodes conventionnelles : combustion de certaines de ces matières premières --> génération de chaleur pour la gazéification --> perte de matière et émission de CO2
  • solaire --> chauffer le matériau (pas besoin de brûler des matériaux) --> pintes : recevoir, transférer et stocker la chaleur et est inerte (pas de réaction avec les matériaux) --> qualité de carburant supérieure et moins d'émissions de carbone
  • mélanger les matières carbonées avec du quartz --> le solaire absorbe et transfère la chaleur par le sable --> augmenter la température (1100) --> décomposition thermique des matières carbonées --> production de gaz de synthèse (syngas)
  • exiger:
    • Capacité thermique spécifique et conductivité thermique élevées
  • Stockage d'énergie par air comprimé adiabatique
    • Conventionnel : L'électricité excédentaire comprime l'air --> stockée dans le sous-sol --> gaz naturel nécessaire pour le réchauffage en cas de besoin
    • dans le sable : chaleur générée lors de la compression --> stocker --> réchauffer l'air comprimé lorsque le sable en a besoin
      • Charge : air chaud -> à travers l'échangeur de chaleur --> flux de sable dans la direction opposée --> sable chaud, air comprimé froid
      • Décharge : air comprimé froid --> à travers un échangeur de chaleur --> le sable chaud augmente la température de l'air
      • rendement du cycle électrique 69%
      • Conductivité thermique et capacité thermique spécifique élevées
• Panneaux solaires photovoltaïques/thermiques
  • PV -> petite fraction de rayonnement en électricité --> excès de chaleur --> dommages
  • peut être stocké dans le sable --> Refroidit les panneaux et évite la surchauffe
  • par exemple : sable du désert et matériaux à changement de phase (par exemple, n-octacosane) --> Le sable du désert offre un meilleur transfert de chaleur
  • le plus approprié : conductivité thermique et capacité thermique massique élevées
• Bassins solaires :
  • application:
    • Chaleur des procédés industriels
    • Dessalement
    • Réchauffement de l'espace
    • La production d'énergie
    • Chauffage de serre
    • Production de sel
  • Zone supérieure : eau à faible salinité --> isolant
  • zone médiane (zone non convective ou halocline) --> gradient de salinité croissante à mesure que la profondeur augmente --> gradient de densité --> empêche la formation de courants de convection --> emprisonne la chaleur dans la couche inférieure
  • Zone inférieure : eau à haute salinité --> Stocke la chaleur solaire --> température jusqu'à 85 °C (185 °F) ou plus
  • enfermer du sable dans la couche inférieure et autour --> réduire les pertes de chaleur (69 %) et stocker l'énergie thermique
  • Sable à conductivité thermique et capacité thermique spécifique élevées
• Réfrigérateurs à énergie solaire :
  • deux cylindres métalliques --> espace rempli de sable entre eux saturé d'eau
  • solaire --> évaporation d'énergie pour le refroidissement --> efficace, accessible, durable
• Recommandation pour combler les lacunes de la recherche :
• Revêtements pour sable de quartz -> améliorent l'absorption, l'usure mécanique élevée et les températures élevées jusqu'à 1000°CRelation entre la fraction solide du PCM et l'irradiance solaire ^[4]

Analyse CFD comparative des matériaux de stockage d'énergie thermique dans les panneaux photovoltaïques/thermiques ^[5]

• Sable du désert (abondant, résistant à l'agglomération, supportant les températures élevées) et carbure de silicium --> transfert de chaleur amélioré
• Cette étude : tuyau en cuivre contenant un flux d'eau dans un matériau à changement de phase rectangulaire (PCM) exposé au soleil, couche absorbante supplémentaire
• sous différents niveaux d'irradiation solaire (allant de 150 à 1 200 W/m2)
• sable du désert : la température du liquide à la limite de sortie et la température maximale de la matrice TES sont plus proches --> meilleur transfert de chaleur
• Relation entre la fraction solide du PCM et l'irradiance solaire :
• Le sable du désert conserve la chaleur --> 4 500 secondes après la coupure du flux thermique
• Le n-octacosane conserve la chaleur plus longtemps -> stocke et libère la chaleur sur une période prolongée -> meilleur lorsque la libération de chaleur pendant la nuit est nécessaire

Stockage d'énergie électrothermique rentable pour équilibrer les systèmes d'énergie renouvelable à petite échelle ^[6]

• Suppose une conversion à 100 % de l'électricité en chaleur
• quantité d'électricité (P) nécessaire pour charger le stockage d'énergie : P=mCp​ΔT​/t
  • m : masse du matériau de stockage thermique
  • Cp​: capacité thermique massique moyenne
  • ΔT : différence de température pendant la charge
  • t: temps pris
• Thermique vers électrique = ηth*efficacité (efficacité dans le sable~85%)
• Taux de chauffage = Puissance de sortie / Rendement thermique/électrique
• Temps de baisse de température = Énergie stockée / Taux de chaleur

Évaluation des performances d'une unité de stockage d'énergie à base de sable à l'aide d'une méthodologie de surface de réponse ^[7]

• Consommation annuelle d'énergie : ~624 430 TWh
• Empreinte carbone des combustibles fossiles : 36,7 milliards de tonnes
• Demande d'énergie renouvelable en 2019 : 6890,7 TWh
• Augmentation attendue de 2 493 TWh entre 2022 et 2025
• Types de systèmes TES :
  • Stockage de chaleur sensible : simple et économique.
  • Stockage de chaleur latente : matériaux à changement de phase.
  • Stockage thermoélectrique : conversion entre énergie thermique et électrique
  • Supports de stockage:
    • roches, eau, huile, sel
    • Sel : Doit être inférieur à 600°C
    • Briques en béton : en journée, en dessous de 500°C, changements de température pendant la décharge -> réduction de l'efficacité du cycle
    • SABLE:
      • Capacité thermique élevée
      • Conductivité thermique élevée
      • rentable
      • Stabilité à long terme
      • Non toxique et respectueux de l'environnement
      • Haute température
      • Taille optimale pour le transfert de chaleur 2–3 mm (plus grande : réduction de l'efficacité du transfert de chaleur, plus petite : augmentation de la perte de charge -> volume de l'échangeur de chaleur plus grand)
• Cette recherche:
  • bobine hélicoïdale en cuivre insérée à l'intérieur d'un réservoir cylindrique
  • Fluide d'admission chaud --> dans la batterie à des températures allant jusqu'à 200°C
  • Mesure de conductivité thermique : appareil KD2 Pro Decagon avec un capteur à aiguille unique de type TR1 à 25°C
  • Mesure de la capacité thermique spécifique : DSC-25, plage de température 25–200°C
  • Mesure de la densité spécifique : 1 kg de sable du désert et de la plage, séché jusqu'à masse constante (à 110 ± 5 ◦C) puis ajouter 6 % d'humidité --> sécher pendant 15 à 19 h.
• Résultats expérimentaux:
  • XRF
    • Sable du désert : 13 éléments, calcium 60,96 %.
    • Sable de plage : 11 éléments, calcium 86,9%.
  • la capacité thermique spécifique
    • augmenter avec la température
    • Cp pour le désert --> plus élevé
    • déshydratation de l'hydroxyde de calcium formé après traitement thermique à 200°C
  • Densité
    • Sable de plage : plus dense
  • scénario pour la simulation :
    • Huile chaude -> à 100°C et vitesse de 0,01 m/s -> transfert de chaleur vers le sable à 25°C, diminution de la température de l'huile -> augmentation de la température du sable et de l'énergie stockée
    • changement de température de l'huile --> augmentation de la température du sable et de l'énergie thermique stockée
    • la vitesse de l'huile et les tours de la bobine augmentent -> l'énergie stockée augmente
    • énergie totale stockée par kg de sable --> 6,348 kJ/kg après une charge de 8 heures.
    • chute de pression -->71,4 Pa
    • Sable du désert Conductivité thermique --> supérieure de 1,77 % à celle du sable de plage
    • Résistivité thermique du sable de plage --> 29,3 % supérieure à celle du sable du désert

Amélioration de la conductivité thermique effective du lit de sable dans les systèmes de stockage d'énergie thermique ^[8]

• Introduction:
  • TES -> substitut aux batteries lithium-ion dans le stockage stationnaire du réseau électrique
  • Sable --> haute tolérance thermique (point de fusion autour de 1700°C)
  • large plage de températures --> Efficacité améliorée du cycle de Carnot
  • Sable Capacité thermique massique élevée --> densité énergétique élevée MAIS forme granulaire et contact ponctuel entre les grains --> faible conductivité thermique
  • Revêtement de sable de quartz --> améliore l'absorption solaire et la stabilité thermique et augmente l'efficacité du stockage d'énergie de 60 % à 80 % par rapport au sable brut
  • conductivité thermique du sable bentonite --> augmenter en ajoutant de la poudre de granit
  • méthodes courantes-->Chauffage solaire direct et chauffage par fluidisation (circulation de fluides caloporteurs à travers des échangeurs de chaleur dans des lits remplis de sable)
  • Mélanger différents matériaux de stockage de chaleur -> améliorer les propriétés de stockage
  • Flux de déchets -> option de matériaux économiques
    • Découpe de ferraille provenant d'ateliers de métallurgie --> économie circulaire
• Cette recherche:
  • Conteneur rectangulaire en aluminium (hauteur 380 mm, longueur 230 mm, largeur 380 mm) --> étudier les propriétés thermiques du lit de sable
  • Deux résistances chauffantes tubulaires (hauteur 298 mm, largeur 309 mm, diamètre 50 mm)--> espacées de 95 mm au centre du boîtier--> Boîtier de commande marche/arrêt de 2 kW et régulation de température jusqu'à 1000 °C
  • Thermocouples de type K --> entre les éléments chauffants (45 ± 0,7 mm de chaque élément chauffant) et à 30 mm des éléments chauffants
  • Lit de sable --> exposé à l'air (T inférieure à 26 °C) sans isolation
  • Combinaison de sable et de sous-produits métalliques (améliore la conductivité thermique)
    • Silice brune : silice (SiO2), granulométrie de 0,06 à 0,2 mm, point de fusion 1713 °C, capacité thermique spécifique 703 J/(kg⋅K), conductivité thermique 0,2 à 0,7 W/(m⋅K), masse volumique apparente 1800 kg/m3
    • aluminium : 15 à 20 mm de long, 0,5 mm d'épaisseur, 1,5 mm de large, point de fusion 660 °C, chaleur spécifique 897 J/(kg⋅K), conductivité thermique 205 W/(m⋅K), masse volumique 2712 kg/m3
    • laiton : diamètre 0,25 mm, longueur 4,5 mm, températures de fusion 900 à 940 °C, chaleur spécifique 380 J/(kg⋅K), conductivité thermique 113 W/(m⋅K), masse volumique 8430 à 8730 kg/m3
    • Copeaux métalliques mixtes : 90 % acier, 10 % aluminium/ longueur 10-15 mm, épaisseur 0,5 mm, largeur 1,5 mm/ Tm : 1370-1540 °C/ chaleur spécifique 490 J/(kg⋅K)/ conductivité thermique 50-70 W/(m⋅K) (varie selon l'alliage)/ densité : 7850 kg/m³
  • T4 : entre le mur et le radiateur électrique / T3 : entre deux radiateurs électriques
  • la température de surface atteint 500 °C en 30 min
  • T4 : chauffe plus rapidement que T3 dans les 75 premières minutes (17,5 mm plus près de la source de chaleur) et température constante à 350 °C après 3 h et baisse rapide de la température à l'extérieur des éléments chauffants
  • T3 : plus chaud que T4 après 80 min, égal à la température de surface des éléments chauffants après 7 h et perte de chaleur moins rapide vers l'environnement et piège à chaleur/faible conductivité thermique, capacité thermique élevée du sable --> Retard terminal dans T3
  • Conductivité du sable : 0,114 W/(m⋅K)
  • Temps de charge simulé : cinq heures
  • Couche de laiton-sable : conductivité thermique efficace la plus élevée/densité plus élevée et structure moins poreuse --> conductivité thermique inférieure à celle de l'aluminium
  • Copeaux d'aluminium :
    • Plus efficace dans un mélange uniforme : conductivité thermique élevée
    • 20 % d'aluminium : taux de chaleur 1,7 fois supérieur à celui du sable pur et augmente la température stable T4 --> conductivité thermique effective plus élevée
    • 10% et 5% d'aluminium ont des taux de chaleur 1,36 fois et 1,18 fois supérieurs à ceux du sable pur
    • Aluminium supérieur : percolation accrue et plus d'interconnexions --> facilite le transfert de chaleur
    • Concentrations de puces plus faibles : isolation des puces, moins de chemins conducteurs et conductivité thermique plus faible
    • améliore le gradient de température global du lit de sable
  • Copeaux mixtes métalliques --> performances inférieures : teneur en acier plus élevée (conductivité thermique plus faible)
  • température extérieure des thermocouples : composite métallique --> Température plus élevée que le sable pur
  • Copeaux métalliques : transfert facile de la chaleur --> plus de stockage
  • Prix ​​de la ferraille commerciale en Finlande --> Aluminium : 0,7 ; Laiton : 3,1 ; Acier inoxydable : 0,7

Du déchet à la valeur ajoutée : utilisation du sable de fonderie usagé dans le stockage d'énergie thermique comme matériau de matrice dans les composites ^[9]

• Introduction:
  • Sable de fonderie résiduaire (WFS) : sous-produit des procédés de moulage des métaux
  • Caractéristiques WFS : composition céramique, densité, granulométrie (0,15 mm < D < 0,6 mm), surface spécifique
  • Voie de recyclage WFS : matériau clé pour les matériaux composites à changement de phase pour capturer, stocker et réutiliser la chaleur résiduelle
• Cette recherche:
  • Matériaux:
    • NaNO3, matériaux naturels dont argile, entièrement recyclable, bentonite sous forme de sodium, déchets de sable de fonderie (matériau de la matrice CPCM, composant prédominant : SiO2 à 87,91 %, composants secondaires : Al2O3 à 4,7 %, Fe2O3 à 0,94 %), additif X (?)
  • Fabrication:
    • Broyage au mortier et au pilon (85–95 % entre 0,6 mm et 0,15 mm de granulométrie uniforme)
    • Mélanger à la main
    • Mise en forme en granulés de 13 mm sous une pression de 60 MPa pendant 2 min
    • Frittage à 400 °C, 5 °C/min à haute température
    • Refroidissement à température ambiante pour une structure stable
  • Faible cohésion à un rapport de masse de 70–30 (WFS-sel) --> instabilité
  • Additif X (?):
    • Les propriétés thixotropes forment une matrice semblable à un gel avec de l'eau -> améliorant la liaison des particules WFS
    • Augmente la résistance du CPCM aux contraintes pendant le processus de changement de phase
  • Essais :
    • Densité des grains de sable : pycnomètre à hélium, 2,51 ± 0,06 g/cm³
    • Densité apparente : Masse et volume (dimensions) des granulés individuels, Porosité déduite du rapport de densité
    • Chaleur latente, point de fusion, capacité thermique spécifique : DSC : Plage de température : 20 à 400 °C, vitesse de montée en température : 10 °C/min, creusets en aluminium, environnement d'air ambiant, débit de gaz : 100 ml/min, méthode saphir pour la chaleur spécifique
    • Conductivité thermique et diffusivité : Technique Flash Laser, Surfaces d'échantillon planes, Revêtement par pulvérisation de graphite Réglage du débit d'air : 100 ml/min Formule de conductivité thermique : λ = a(T)ρ(T)Cp(T)
    • TGA : Poids de l'échantillon : ~10 mg, creuset en platine, Plage de température : 25 à 500 °C, vitesse de chauffe : 10 °C/min, air ambiant
    • Microstructure et distribution de la taille des pores : nano-CT à rayons X, échantillons cylindriques : φ 2 × 15 mm, tension : 95 kV, courant : 150 μA, résolution en pixels : 9,5 μm, images de projection à des intervalles de 0,1°, rotation à 180°, analyse des données : logiciel Recon, logiciel CTan
    • Coefficient de dilatation thermique : Dilatomètre optique, Échantillons cylindriques : ~13 mm de diamètre, Chauffage : température ambiante à 500 °C, vitesse : 5 K/min, environnement aérien
    • Résistance à la compression
    • Protocole de cyclage thermique : Augmentation de la température à 400 °C, maintien pendant 30 minutes, Diminution de la température à 270 °C, maintien pendant 10 minutes, Total de 48 cycles, Évaluation de la résilience structurelle et de l'efficacité thermique des CPCM WFS-sel
    • ..... (discussion)
    • Densité de stockage d'énergie : 628 ± 27 kJ/kg pour Na60, 567 ± 43 kJ/kg pour Na55
    • Conductivité thermique moyenne : 24 % plus élevée pour Na60 (1,38 W/mK) que pour Na55 (1,08 W/mK), en raison de la porosité plus élevée de Na55
    • Résistance à la compression : 141 MPa pour Na60, 105 MPa pour Na55, influencée par la porosité et la taille des pores
    • Une plus grande porosité bénéfique pour le CTE du CPCM

Batterie de stockage de chaleur au sable ^[10]

• Le sable du désert peut stocker de l'énergie thermique jusqu'à 1000 ℃
• 400 ℃ de plus que le sel fondu
• Sel dissous:
  • entretien pour éviter le colmatage
  • Chaleur externe nécessaire pour maintenir la température au-dessus de 260 °C
  • 28 000 tonnes --> pour 7,5 heures de stockage
  • 25,2 millions de dollars pour le support de stockage
• Cette recherche:
  • Chauffage électrique choisi comme apport de chaleur
  • Chauffage par radiateur --> vers l'échangeur de chaleur via le fluide caloporteur (huile)
  • Huile --> dans un réservoir d'huile, pompée à travers des tuyaux vers l'échangeur de chaleur
  • Capteurs de température -> surveille les changements de température du sable
  • Chargement : Sable chauffé à la température souhaitée (150 °C)
  • Stockage : rétention de l'énergie thermique du sable au fil du temps
  • Déchargement :
    • Huile froide --> à travers des tuyaux pour absorber la chaleur du sable
    • Générateur thermoélectrique -> énergie thermique en énergie électrique

Qu'est-ce qu'une « batterie de sable » ? ^[11]

• Première batterie de sable commerciale : à Kankaanpää, dans l'ouest de la Finlande (température maximale : 600 ℃, peut toutefois être plus élevée) --> intégrée dans un réseau de chauffage urbain exploité par Vatajankoski (fournisseur d'énergie verte)
  • Dans les bâtiments résidentiels et commerciaux (maisons et piscine)
• Structure:
  • Silo isolé en boîtier en acier rempli de sable et de tuyaux de transfert de chaleur.
  • Composants d'automatisation, vannes, ventilateur et échangeur de chaleur ou générateur de vapeur.
• Chauffage:
  • Electricité du réseau ou production locale d'énergie éolienne et solaire.
  • Chargé pendant les périodes de disponibilité d'électricité propre et bon marché.
  • Énergie électrique --> chauffer l'air avec des résistances électriques --> via un tuyau d'air en boucle fermée --> le faire circuler dans une tuyauterie de transfert de chaleur --> pour chauffer le stockage
• Extraction:
  • Souffler de l'air frais dans les tuyaux -> chauffer
  • utilisé pour convertir l'eau en vapeur de procédé / eau de chauffage urbain dans un échangeur de chaleur air-eau.
• Restez au chaud pendant des mois, généralement chargé et déchargé par cycles de 2 semaines
• Meilleure autonomie lorsqu'elle est chargée et déchargée 20 à 200 fois par an
• Dans « L’énergie de la nuit polaire » :
  • 600 °C, 10 GWh, 100 MW
  • 36 % de la demande de chauffage industriel peut être satisfaite par une batterie au sable (elle dépend désormais du pétrole et du gaz)
  • peut économiser 100 Mt/an de monoxyde de carbone en 2030
  • peut fournir de l'électricité à environ 10 000 personnes
• 30% d'énergie solaire/éolienne --> utilisation directe, 70% stockée sous forme de chaleur, moins de 10% de besoin d'énergie externe pour toute l'année

Changement climatique : la « batterie de sable » pourrait résoudre le gros problème de l’énergie verte ^[12]

• La Finlande a une longue frontière avec la Russie et les approvisionnements en gaz et en électricité sont interrompus en raison de l'adhésion de la Finlande à l'OTAN --> Inquiétudes concernant les sources de chaleur et d'éclairage pendant les hivers longs et froids
• Première batterie de sable entièrement fonctionnelle au monde installée par des chercheurs finlandais -> développée par « Polar Night Energy »
• centrale électrique dans l'ouest de la Finlande --> 100 tonnes de sable dans un silo gris
• Difficulté à convertir efficacement la chaleur stockée en électricité.

Batterie de sable pour le stockage thermique ^[13]

• Batsand : Batterie thermique avec générateur de chauffage et réservoir de sable.
• apporter du sable chaud et frais directement à la maison
• Charge (avec panneaux solaires) en été --> chauffage/refroidissement selon les besoins
• potentiel de retour sur investissement en 4 à 6 ans
• combiner avec un panneau solaire --> Peut se déconnecter du réseau
  • Puissance nominale : 1 : 14 kW, 2 : 25 kW
  • Capacité de la batterie : 1 : 12 000 kWh, 2 : 21 000 kWh
  • Taille de maison appropriée : 1 : 300-600 m², 2 : 500-1200
  • Taille: 1: 140 cm x 72 cm x 55 cm, 2: 185 cm x 85 cm x 72 cm
  • Poids : 1 : 142 kg, 2 : 174 kg

Comment une batterie au sable pourrait révolutionner le stockage d'énergie domestique ^[14]

• Université du Michigan : 30 % de la consommation totale d'énergie résidentielle aux États-Unis -> consacrée au chauffage (chauffage de l'eau : 13 %)
• Laboratoire national Lawrance Berkeley aux États-Unis : 1/5 de l'énergie produite aux États-Unis --> charge thermique du bâtiment
• Communauté solaire de DraKE-->2012 : 96 %, 2015, 2016 : 100 % de leur chauffage annuel provient de l'énergie solaire
• TES : bons taux d'efficacité aller-retour (RTE) (% d'électricité stockée) --> 100 % RTE : toute l'énergie stockée peut être utilisée ; thermodynamiquement impossible
• acide de plomb : 70 %, ion lithium : 90 %
• sable : faible chaleur spécifique, haute densité : grande capacité de stockage thermique, pas de réactions chimiques : pas d'entretien, au-dessus de l'eau bouillante
• chauffer le sable avec l'énergie solaire -> passer à la maison avec l'air
• défi : taille--> Batsand (7700$-augmentation à 19000$ avec installation, stocker l'énergie à 92% d'efficacité avec 94% RTE) est de petite taille (40m^3), sous terre-->bâtiment de 300-400 m^2, 10680 kW/h avec +30 kW solaire
• Newton Energy Solution (NES) (5300-6400 $, 95 % RTE) --> entre TES et chauffe-eau et réservoir tampon --> chauffe-eau déjà un TES (mais ne peut pas transformer la chaleur en électricité) volume d'eau de 590 mm x 1650 mm (214 L) --> 20 kWh (peut chauffer 600 L d'eau du robinet à 40 °C et 320 L --> 29 kWh
• l'efficacité chute à 50-70 % lorsque la chaleur est convertie en électricité

Chauffage à batterie à sable à faire soi-même. Plus de 599f simple à fabriquer ^[15]

• Équipement:
  • Cuve en acier de 30 L
  • élément chauffant pour eau --> 300W 12v
  • sable de jeu (sable de quincaillerie) --> 5-8 kg
  • un ventilateur est nécessaire
  • wattmètre
• Méthode:
  • Remplir à moitié
  • mettre l'élément au centre
  • connectez le compteur W au fil de l'élément
• en 40 min--> 179°C, en 50 min--> 290 °C

Système de stockage d'énergie au sable pour chauffe-eau

• Demande de matériaux de stockage nouveaux et efficaces.
• Utilisation du sable, abondant en Jordanie, comme matériau de stockage.
• Sable siliceux prédominant dans le sud de la Jordanie, comprenant 95,5 % à 98,31 % de SiO2
• Capacité thermique spécifique du sable de silice : moyenne 830 J/kg°C
• L'énergie stockée est proportionnelle à l'augmentation de la température, à la capacité thermique spécifique et à la masse du milieu.
• Solar Radiation in Jordan:
  • Yearly average: 2080 kWh/m2.
  • More than 300 sunny days annually.
  • Average daily radiation: 5.7 kWh/m2, with 8 hours of sun.
  • June and July have highest sun hours (almost 12 hours) and radiation values (8.2 kWh/m2).
  • December and January --> least sun activity ( 5 hours/day) and lowest daily radiation (2.9 kWh/m2).
  • Optimizing inclination angle between 10° and 60° increases yearly radiation to 2419 kWh/m2.
  • Most economical and effective inclination angle for PV system installation in Jordan: 30°.
  • Yearly radiation at this angle: 2330 kWh/m2.
• Jordan Weather:
  • Hottest month: July (average temperature 25°C/77°F).
  • Coldest month: January (average temperature 8°C/46°F).
  • Temperature fluctuation parameters: between 31°C and 4°C throughout the year.
  • Rare cases of extreme temperatures: up to 43°C and as low as -10°C in different regions of Jordan.
  • Energy storage design for night use as water heating source.
  • Standard hot water temperature: 70°C.
  • Average hot water use per person in Jordan: 40 liters/day.
  • Average household size in Jordan: 5 people.
  • Total water to heat: 200 liters (rounded to 240 liters).
  • Water mass: 240 kg.
  • Specific heat of water: 4.186 kJ/kg°C.
  • Required temperature: 80°C (including error).
  • Min temperature in January: 5°C.
  • Temperature difference (∆T): 75°C.
  • Energy required (Q):
    • Q=m×Cp​×ΔT=240kg×4.186kJ/kg°C×75°C=75,348kJ
  • Least sun hours per day in December: 5 hours.
  • Least average solar radiation per day in December: 2.9 kWh/m².
  • Energy demand: 75,500 kJ --> 20.98 kWh.
• Silica sand
  • Thermal conductivity: 0.33 W/m°C.
  • Average thermal heat capacity: 0.83 kJ/kg°C
  • ∆T: 75°C
  • m=Q/Cp​×ΔT​-->m=1,213kg.
  • Density of silica: 1,522 kg/m³ --> V= 1 m3
• System Design
  • Storage tank
  • Heat exchanger
    • D= 60 cm & H= 0.9 m
    • inlet top, outlet bottom

Solar Power Calculator for London, Ontario, Canada^[16]

• yearly avg of solar radiation in London Ontario: 1547.32 kWh/m2
• avg daily radiation: 4.232 kWh/m2
• Months of highest sunny days: June 9.6h & 6.08 kWh/m2, July 10.1h & 6.11 kWh/m2
• Least sun activity: Jan 2.3h & 1.97 kWh/m2, Dec 2.7h & 1.67 kWh/m2

Climate and monthly weather forecast, London, Canada^[17]

• Avg temp in hottest month: 25.5
• Avg temp in coldest month: -8.2

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Auteurs	Maryam Mottaghi
Licence	CC-BY-SA-4.0
Langue	Anglais (en)
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Créé	14 mai 2024 par Maryam Mottaghi
Modifié	3 juin 2024 par le robot StandardWikitext
Citer comme	Maryam Mottaghi (2024). « Batterie de sable » . Appropedia . Récupéré le 11 juillet 2024 .
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