Les industries qui ont besoin d’une solution de stockage d’énergie à faible coût et à grande échelle pourraient se tourner vers le stockage d’énergie thermochimique (TCES), une technologie qui conserve l’énergie grâce à des réactions chimiques réversibles. Le TCES peut stocker la chaleur pendant une longue durée, fonctionner en continu et fournir de la chaleur à haute température pour la fabrication de pointe. Mais le défi de la mise en œuvre du TCES réside dans le fait que l’on sait peu de choses sur le mouvement et l’interaction des particules à l’intérieur des réacteurs TCES.
Like Li, professeur agrégé au département de génie mécanique et aérospatial de l’UCF, développera des expériences inédites afin de caractériser pour la première fois les propriétés mécaniques et d’écoulement des particules TCES à des températures pouvant atteindre 1 500 degrés Celsius. Ce projet est soutenu par une subvention de 400 000 dollars de la National Science Foundation américaine.
Selon Li, le mouvement des particules, appelé écoulement granulaire, s’est avéré particulièrement difficile à caractériser pour les scientifiques, car il est difficile de suivre ces particules à l’intérieur du réacteur TCES.
« Nous pouvons mesurer la quantité de matière qui entre ou qui sort, mais il est bien plus difficile de voir comment les particules se déplacent réellement dans le lit », dit Li. « Les méthodes optiques sont généralement limitées aux surfaces ou aux parois transparentes, tandis que les techniques capables de sonder l’intérieur, comme la tomographie par rayons X ou l’IRM, peuvent être complexes, coûteuses et limitées en résolution. »
À des températures plus élevées, le défi devient encore plus grand, car les propriétés des particules changent sous l’effet de l’écoulement du gaz, du transfert de chaleur et des réactions chimiques. Par conséquent, des chercheurs comme Li disposent de très peu de données expérimentales sur lesquelles s’appuyer.
Mais Li et son équipe du Laboratoire de développement du stockage d’énergie thermique mettront au point un banc d’essai à haute température pour mesurer les propriétés mécaniques et d’écoulement des particules. Les mesures qu’ils recueilleront seront intégrées dans des simulations informatiques afin de comprendre les interactions gaz-particules, entre particules et particule-paroi, difficiles à observer par la seule voie expérimentale.
« Nous utiliserons des simulations pour évaluer différentes conceptions de réacteurs et différentes conditions de fonctionnement, identifier les comportements d’écoulement indésirables et développer de nouvelles stratégies de contrôle de l’écoulement des particules », dit Li. « Les stratégies les plus prometteuses seront ensuite testées expérimentalement afin de déterminer comment elles améliorent les performances globales du réacteur. »
Les expériences porteront sur des particules d’oxyde métallique, en particulier l’oxyde de magnésium-manganèse, car elles peuvent stocker et restituer de l’énergie de manière répétée, à l’image d’une batterie qui se charge et se décharge. Les résultats de cette recherche pourraient avoir des retombées pratiques pour la production de biocarburants, la transformation alimentaire et l’industrie pharmaceutique.
« Bien que ces industries produisent des produits très différents, nombre de leurs procédés ont un point important en commun : de grandes quantités de particules ou de matériaux granulaires doivent circuler dans les équipements de transformation tout en échangeant simultanément de la chaleur et de la masse », explique Li. « Une meilleure compréhension et un meilleur contrôle de l’écoulement granulaire pourraient contribuer à améliorer l’homogénéité et l’efficacité des réacteurs dans la transformation des biocarburants, à obtenir un chauffage et un séchage plus réguliers dans la transformation alimentaire, et à améliorer la manipulation des particules et la constance des procédés dans la fabrication pharmaceutique. »
Selon Li, cette recherche tombe particulièrement à point nommé en raison de l’essor de l’intelligence artificielle.
« Le TCES pourrait potentiellement répondre à une partie du défi énergétique associé à l’IA et aux centres de données, notamment en fournissant un stockage d’énergie de longue durée qui aide à intégrer l’électricité renouvelable et à améliorer la flexibilité du réseau », déclare Li. « L’électricité peut être convertie en énergie stockée à haute température et conservée pendant de longues périodes avec des pertes en veille relativement faibles, puis utilisée lorsque l’énergie est nécessaire. »
Le projet comprend également un volet éducatif, appelé initiative UCF Thermal Energy Storage Ambassadors (TESA), qui permettra d’enseigner aux étudiants des concepts énergétiques importants.
« À travers l’initiative TESA, nous souhaitons que les étudiants et les chercheurs de l’UCF transmettent ces concepts aux élèves du K–12, aux community colleges et aux communautés locales au moyen de démonstrations accessibles et d’activités pratiques », dit Li. « Notre objectif n’est pas seulement d’enseigner le stockage d’énergie aux étudiants, mais aussi de leur montrer comment les matières fondamentales qu’ils apprennent à l’école — physique, chimie, mathématiques et ingénierie — peuvent être utilisées pour résoudre des défis énergétiques concrets. »
À propos du chercheur
Like Li est professeur agrégé au département de génie mécanique et aérospatial et membre du corps professoral du Centre de recherche en turbomachines avancées et en énergie. Li est chercheur principal de plus de 4,6 millions de dollars de financements de recherche provenant d’agences fédérales et de l’industrie, notamment la National Science Foundation américaine et le département de l’Énergie des États-Unis. Il avait précédemment reçu une subvention de 3,8 millions de dollars du département de l’Énergie pour développer un système intégré de stockage d’énergie thermochimique à base de particules destiné à l’énergie solaire à concentration. Il a également travaillé avec le Florida High Tech Corridor et Duke Energy sur un projet visant à faire progresser les systèmes de stockage d’énergie thermochimique à chauffage électrique pour le stockage d’énergie de longue durée.
