L'industrie de l'énergie électrique est l'un des rares domaines dans lesquels il n'y a pas de stockage à grande échelle des « produits » fabriqués. Le stockage industriel de l’énergie et la production de divers types de dispositifs de stockage constituent la prochaine étape de la grande industrie de l’énergie électrique. Aujourd'hui, cette tâche est particulièrement urgente, parallèlement au développement rapide des sources d'énergie renouvelables. Malgré les avantages indéniables des sources d'énergie renouvelables, il reste un question importante, qui doit être résolu avant l’introduction et l’utilisation généralisées de sources d’énergie alternatives. Bien que l’énergie éolienne et solaire soit respectueuse de l’environnement, leur production est intermittente et nécessite un stockage d’énergie pour une utilisation ultérieure. Pour de nombreux pays, une tâche particulièrement urgente serait de se doter de technologies de stockage d'énergie saisonnières - en raison des grandes fluctuations de la consommation d'énergie. Ars Technica a préparé une liste des meilleures technologies de stockage d'énergie, et nous parlerons de certaines d'entre elles.
Accumulateurs hydrauliques
La technologie la plus ancienne, la plus mature et la plus répandue pour stocker l’énergie en grands volumes. Le principe de fonctionnement de l'accumulateur hydraulique est le suivant : il y a deux réservoirs d'eau, l'un est situé au-dessus de l'autre. Lorsque la demande d’électricité est faible, l’énergie est utilisée pour pomper l’eau vers le réservoir supérieur. Aux heures de pointe de consommation électrique, l'eau est évacuée vers un hydrogénérateur installé sur place, l'eau fait tourner une turbine et produit de l'électricité.
À l’avenir, l’Allemagne envisage d’utiliser d’anciennes mines de charbon pour créer des réservoirs de stockage par pompage, et des chercheurs allemands travaillent à la création de sphères géantes d’hydrostockage en béton placées au fond de l’océan. En Russie, il existe le PSPP Zagorskaya, situé sur la rivière Kunya, près du village de Bogorodskoye, dans le district de Sergiev Posad, dans la région de Moscou. Zagorskaya PSPP est un élément infrastructurel important du système énergétique du centre, participant à la régulation automatique des flux de fréquence et d'énergie, ainsi qu'à la couverture des charges de pointe quotidiennes.
Comme l'a déclaré Igor Ryapin, chef du département de l'Association "Communauté des consommateurs d'énergie" lors de la conférence "Nouvelle énergie": Internet de l'énergie, organisée par le Centre énergétique de l'école de commerce de Skolkovo, la capacité installée de tous les accumulateurs hydrauliques dans le le monde est d'environ 140 GW, les avantages de cette technologie sont liés un grand nombre de cycles et longue durée de vie, l'efficacité est d'environ 75 à 85 %. Cependant, l'installation d'accumulateurs hydrauliques nécessite des conditions géographiques particulières et coûte cher.
Dispositifs de stockage d'énergie à air comprimé
Cette méthode de stockage d'énergie est similaire en principe à l'hydrogénération - cependant, au lieu de l'eau, de l'air est pompé dans les réservoirs. À l’aide d’un moteur (électrique ou autre), l’air est pompé dans le réservoir de stockage. Pour générer de l'énergie, de l'air comprimé est libéré et fait tourner la turbine.
L'inconvénient de ce type de dispositif de stockage est un faible rendement dû au fait qu'une partie de l'énergie lors de la compression du gaz est convertie sous forme thermique. L'efficacité ne dépasse pas 55 % ; pour une utilisation rationnelle, le moteur nécessite beaucoup d'électricité bon marché, de sorte qu'à l'heure actuelle, la technologie est principalement utilisée à des fins expérimentales, la capacité totale installée dans le monde ne dépasse pas 400 MW.
Sel fondu pour le stockage de l'énergie solaire
Le sel fondu retient la chaleur pendant longtemps, c'est pourquoi il est placé dans des centrales solaires thermiques où des centaines d'héliostats (grands miroirs concentrés sur le soleil) collectent la chaleur. lumière du soleil et chauffez le liquide à l'intérieur - sous forme de sel fondu. Ensuite, il est envoyé dans le réservoir, puis, grâce à un générateur de vapeur, il fait tourner une turbine qui produit de l'électricité. L'un des avantages est que le sel fondu fonctionne à une température élevée - plus de 500 degrés Celsius, ce qui contribue à travail efficace turbine à vapeur.
Cette technologie permet de prolonger les heures de travail, ou de chauffer les pièces et de fournir de l'électricité le soir.
Des technologies similaires sont utilisées dans le parc solaire Mohammed bin Rashid Al Maktoum, le plus grand réseau de centrales solaires au monde, réunies dans un seul espace à Dubaï.
Systèmes redox à flux
Les batteries à flux sont un énorme récipient d'électrolyte qui traverse une membrane et crée une charge électrique. L'électrolyte peut être du vanadium, ainsi que des solutions de zinc, de chlore ou d'eau salée. Ils sont fiables, faciles à utiliser et ont une longue durée de vie.
Il n'y a pas encore de projets commerciaux, la capacité totale installée est de 320 MW, principalement dans le cadre de projets de recherche. Le principal avantage est qu'il s'agit jusqu'à présent de la seule technologie de batterie offrant une production d'énergie à long terme - plus de 4 heures. Les inconvénients incluent l’encombrement et le manque de technologie de recyclage, qui est un problème courant avec toutes les batteries.
La centrale électrique allemande EWE prévoit de construire la plus grande batterie à flux de 700 MWh au monde en Allemagne dans des grottes qui stockaient autrefois du gaz naturel, rapporte Clean Technica.
Piles traditionnelles
Ce sont des batteries similaires à celles qui alimentent les ordinateurs portables et les smartphones, mais de taille industrielle. Tesla fournit de telles batteries pour les centrales éoliennes et solaires, et Daimler utilise pour cela de vieilles batteries de voiture.
Stockage thermique
Une maison moderne a besoin d’être refroidie, surtout dans les climats chauds. Les installations de stockage thermique permettent de geler l'eau stockée dans des réservoirs pendant la nuit pendant la journée, la glace fond et refroidit la maison, sans la climatisation coûteuse habituelle et les coûts énergétiques inutiles.
La société californienne Ice Energy a développé plusieurs projets similaires. Leur idée est que la glace est produite uniquement pendant les périodes hors pointe du réseau électrique, puis, au lieu de gaspiller de l’électricité supplémentaire, la glace est utilisée pour rafraîchir les pièces.
Ice Energy collabore avec des entreprises australiennes qui cherchent à commercialiser la technologie des batteries à glace. En Australie, en raison du soleil actif, l'utilisation de panneaux solaires se développe. La combinaison du soleil et de la glace augmentera l’efficacité énergétique globale et le respect de l’environnement des maisons.
Volant
Le supervolant est un accumulateur inertiel. L'énergie cinétique du mouvement qui y est stockée peut être convertie en électricité à l'aide d'une dynamo. Lorsque le besoin d'électricité se fait sentir, la structure génère de l'énergie électrique en ralentissant le volant d'inertie.
Les sels individuels peuvent servir d'électrolytes dans la production de métaux par électrolyse de sels fondus, mais généralement, sur la base du désir d'avoir un électrolyte relativement fusible, ayant une densité favorable, caractérisée par une viscosité assez faible et une conductivité électrique élevée, un Une tension superficielle relativement élevée, ainsi qu'une faible volatilité et la capacité de dissoudre les métaux, dans la pratique de la métallurgie moderne, utilisent des électrolytes fondus de composition plus complexe, qui sont des systèmes de plusieurs (deux à quatre) composants.De ce point de vue, les propriétés physico-chimiques des sels fondus individuels, en particulier des systèmes (mélanges) de sels fondus, sont très importantes.
Une assez grande quantité de matériel expérimental accumulé dans cette zone montre que les propriétés physico-chimiques des sels fondus sont dans une certaine relation les unes avec les autres et dépendent de la structure de ces sels à la fois à l'état solide et à l'état fondu. Cette dernière est déterminée par des facteurs tels que la taille et la quantité relative de cations et d'anions dans le réseau cristallin du sel, la nature de la connexion entre eux, la polarisation et la tendance des ions correspondants à former des complexes dans les masses fondues.
Dans le tableau 1 compare les points de fusion, les points d'ébullition, les volumes molaires (au point de fusion) et la conductivité électrique équivalente de certains chlorures fondus, disposés selon les groupes du tableau de la loi périodique des éléments de D.I. Mendeleïev.
Dans le tableau 1, on voit que les chlorures de métaux alcalins appartenant au groupe I et les chlorures de métaux alcalino-terreux (groupe II) sont caractérisés par hautes températures fusion et ébullition, conductivité électrique élevée et volumes polaires plus petits par rapport aux chlorures appartenant aux groupes suivants.
Cela est dû au fait qu'à l'état solide, ces sels ont des réseaux cristallins ioniques, dans lesquels les forces d'interaction entre les ions sont très importantes. Pour cette raison, il est très difficile de détruire de tels réseaux, c'est pourquoi les chlorures de métaux alcalins et alcalino-terreux ont des points de fusion et d'ébullition élevés. Le volume molaire plus faible des chlorures des métaux alcalins et alcalino-terreux résulte également de la présence d'une proportion importante de liaisons ioniques fortes dans les cristaux de ces sels. La structure ionique des masses fondues des sels considérés détermine également leur conductivité électrique élevée.
Selon les vues d'A.Ya. Selon Frenkel, la conductivité électrique des sels fondus est déterminée par le transfert de courant, principalement par des cations mobiles de petite taille, et les propriétés visqueuses sont dues à des anions plus volumineux. D'où la diminution de la conductivité électrique de LiCl vers CsCl à mesure que le rayon du cation augmente (de 0,78 A pour Li+ à 1,65 A pour Cs+) et, par conséquent, sa mobilité diminue.
Certains chlorures des groupes II et III (tels que MgCl2, ScCl2, УСl3 et LaCl3) se caractérisent par une conductivité électrique réduite à l'état fondu, mais en même temps des points de fusion et d'ébullition assez élevés. Ce dernier indique une proportion significative de liaisons ioniques dans les réseaux cristallins de ces sels. Le Ho dans les masses fondues interagit sensiblement avec des ions simples pour former des ions complexes plus gros et moins mobiles, ce qui réduit la conductivité électrique et augmente la viscosité des masses fondues de ces sels.
Une forte polarisation de l'anion chlore par les petits cations Be2+ et Al3+ conduit à une forte réduction de la fraction des liaisons ioniques dans ces sels et à une augmentation de la fraction des liaisons moléculaires. Cela réduit la résistance des réseaux cristallins de BeCl2 et AlCl3, grâce à quoi ces chlorures se caractérisent par de faibles points de fusion et d'ébullition, de grands volumes molaires et de très faibles valeurs de conductivité électrique. Cette dernière est apparemment due au fait que (sous l’influence du fort effet polarisant de Be2+ et Al3+) une forte complexation se produit dans les chlorures de béryllium et d’aluminium fondus avec formation d’ions complexes volumineux.
Les sels de chlorure des éléments du groupe IV, ainsi que le premier élément du groupe III, le bore, qui présentent des réseaux purement moléculaires avec de faibles liaisons résiduelles entre molécules, se caractérisent par des températures de fusion très basses (dont les valeurs sont souvent inférieures à zéro) et bouillante. Il n'y a pas d'ions dans la fusion de ces sels et, comme les cristaux, ils sont construits à partir de molécules neutres (bien qu'il puisse y avoir des liaisons ioniques au sein de ces dernières). D'où les volumes molaires importants de ces sels au point de fusion et le manque de conductivité électrique des fondus correspondants.
Les fluorures de métaux des groupes I, II et III sont généralement caractérisés par températures élevées fondant et bouillant par rapport aux chlorures correspondants. Cela est dû au rayon plus petit de l'anion F+ (1,33 A) par rapport au rayon de l'anion Cl+ (1,81 A) et, par conséquent, à la plus faible tendance des ions fluor à se polariser et, par conséquent, à la formation de réseaux cristallins ioniques forts. par ces fluorures.
Les diagrammes de fusibilité (diagrammes de phases) des systèmes salins sont d'une grande importance pour choisir des conditions d'électrolyse favorables. Ainsi, dans le cas de l'utilisation de sels fondus comme électrolytes dans la production électrolytique de métaux, il est généralement nécessaire tout d'abord de disposer d'alliages de sels à point de fusion relativement bas qui fournissent suffisamment basse températureélectrolyse et moins de consommation d'énergie électrique pour maintenir l'électrolyte à l'état fondu.
Cependant, à certains rapports de composants dans les systèmes salins, des composés chimiques peuvent apparaître avec des points de fusion élevés, mais possédant d'autres propriétés favorables (par exemple, la capacité de dissoudre plus facilement les oxydes à l'état fondu que les sels fondus individuels, etc.).
Les recherches montrent que lorsqu'il s'agit de systèmes de deux ou plusieurs sels (ou sels et oxydes), des interactions peuvent se produire entre les composants de ces systèmes, conduisant (en fonction de la force de cette interaction) à la formation d'eutectiques, enregistrés sur le diagrammes de fusibilité, ou régions de solutions solides, ou fondant de manière incongrue (avec décomposition) ou de manière congruente (sans décomposition) des composés chimiques. Le plus grand ordre de la structure de la matière aux points correspondants de la composition du système, dû à ces interactions, est préservé à un degré ou à un autre dans la masse fondue, c'est-à-dire au-dessus de la ligne du liquidus.
Par conséquent, les systèmes (mélanges) de sels fondus ont souvent une structure plus complexe que les sels fondus individuels, et dans le cas général, les composants structurels des mélanges de sels fondus peuvent être simultanément des ions simples, des ions complexes et même des molécules neutres, en particulier lorsque dans les réseaux cristallins des sels correspondants, il existe une certaine quantité de liaisons moléculaires.
A titre d'exemple, considérons l'effet des cations de métaux alcalins sur la fusibilité du système MeCl-MgCl2 (où Me est un métal alcalin, Fig. 1), caractérisé par des raies de liquidus dans les diagrammes de phases correspondants. On peut voir sur la figure qu'à mesure que le rayon du cation chlorure de métal alcalin augmente de Li+ à Cs+ (respectivement de 0,78 A à 1,65 A), le diagramme de fusibilité devient de plus en plus complexe : dans le système LiC-MgCl2, les composants forment des solutions solides ; dans le système NaCl-MgCl2, il existe un minimum eutectique ; dans le système KCl-MgCl2 en phase solide, il se forme un composé à fusion congruente KCl*MgCl2 et, éventuellement, un composé à fusion incongrue 2КCl*MgCl2 ; dans le système RbCl-MgCl2, le diagramme de fusibilité présente déjà deux maxima, correspondant à la formation de deux composés fondant de manière congruente ; RbCl*MgCl2 et 2RbCl*MgCla ; enfin, dans le système CsCl-MgClg, trois composés chimiques à fusion congruente se forment ; CsCl*MgCl2, 2CsCl*MgCl2 et SCsCl*MgCl2, ainsi qu'un composé fondant de manière incongrue CsCl*SMgCl2. Dans le système LiCl-MgCb, les ions Li et Mg interagissent avec les ions chlore à peu près dans la même mesure et, par conséquent, les matières fondues correspondantes ont une structure proche des solutions les plus simples, grâce à quoi le diagramme de fusibilité de ce système est caractérisé par la présence de des solutions solides. Dans le système NaCi-MgCl2, en raison de l'augmentation du rayon du cation sodium, il y a un léger affaiblissement de la liaison entre les ions sodium et chlore et, par conséquent, une augmentation de l'interaction entre les ions Mg2+ et Cl-, mais cela ne conduit cependant pas à l'apparition d'ions complexes dans la masse fondue. L'ordre un peu plus grand de la masse fondue qui en résulte provoque l'apparition d'eutectique dans le diagramme de fusibilité du système NaCl-MgCl2. L'affaiblissement croissant de la liaison entre les ions K+ et Cl- dû au rayon encore plus grand du cation potassium provoque une telle augmentation de l'interaction entre les ions et Cl-, ce qui conduit, comme le montre le diagramme de fusibilité KCl-MgCl2, à la formation d'un composé chimique stable KMgCl3, et dans la masse fondue - à l'apparition des anions complexes correspondants (MgCl3-). Une nouvelle augmentation des rayons de Rb+ (1,49 A) et Cs+ (1,65 A) provoque un affaiblissement encore plus important de la liaison entre les ions Rb et Cl-, d'une part, et les ions Cs+ et Cl-, d'autre part. d'autre part, conduisant à une complication supplémentaire du diagramme de fusibilité du système RbCl-MgCb par rapport au diagramme de fusibilité du système KCl - MgCb et, dans une mesure encore plus grande, à la complication du diagramme de fusibilité du système CsCl- Système MgCl2.
La situation est similaire dans les systèmes MeF-AlF3, où dans le cas du système LiF - AlF3, le diagramme de fusibilité indique un composé chimique fondant de manière congruente SLiF-AlFs, et le diagramme de fusibilité du système NaF-AIF3 en indique un de fusion congruente et un composé chimique fondant de manière incongrue ; respectivement 3NaF*AlFa et 5NaF*AlF3. Du fait que la formation dans la phase saline lors de la cristallisation de l'un ou l'autre composé chimique se reflète dans la structure de cette masse fondue (ordre plus important associé à l'apparition d'ions complexes), cela provoque un changement correspondant, en plus de la fusibilité, et d'autres propriétés physicochimiques qui changent fortement (non soumises à la règle d'additivité) pour les compositions de mélanges de sels fondus correspondant à la formation de composés chimiques selon le diagramme de fusibilité.
Par conséquent, il existe une correspondance entre les diagrammes composition-propriétés dans les systèmes salins, qui s'exprime par le fait que là où un composé chimique est noté sur le diagramme de fusibilité du système, la masse fondue qui lui correspond en composition est caractérisée par une cristallisation maximale une température, une densité maximale, une viscosité maximale, une conductivité électrique minimale et un couple d'élasticité minimale.
Une telle correspondance dans l'évolution des propriétés physico-chimiques des mélanges de sels fondus aux endroits correspondant à la formation de composés chimiques enregistrés sur les diagrammes de fusibilité n'est cependant pas associée à l'apparition de molécules neutres de ces composés dans le bain, comme c'était le cas on le croyait auparavant, mais cela est dû à un plus grand ordre de la structure de la masse fondue correspondante, à une plus grande densité de tassement. D'où la forte augmentation de la température de cristallisation et de la densité d'une telle masse fondue. La présence dans une telle fonte le plus grand nombre les gros ions complexes (correspondant à la formation de certains composés chimiques en phase solide) entraînent également une forte augmentation de la viscosité de la masse fondue en raison de l'apparition d'anions complexes volumineux dans celle-ci et d'une diminution de la conductivité électrique de la masse fondue en raison d'une réduction du nombre de porteurs de courant (en raison de la combinaison d'ions simples en ions complexes).
En figue. 2, à titre d'exemple, on compare le diagramme composition-propriétés des masses fondues des systèmes NaF-AlF3 et Na3AlF6-Al2O3, où dans le premier cas le diagramme de fusibilité est caractérisé par la présence d'un composé chimique, et dans le deuxièmement - eutectique. Conformément à cela, sur les courbes d'évolution des propriétés physico-chimiques des masses fondues en fonction de la composition, dans le premier cas il y a des extrema (maxima et minima), et dans le second, les courbes correspondantes changent de manière monotone.
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Pour faire pousser un cristal de sel, vous aurez besoin de :
1) - sel.
Il doit être aussi propre que possible. Le sel de mer est le mieux adapté, car le sel de table ordinaire contient de nombreux débris invisibles à l'œil nu.
2) - eau.
L'option idéale serait d'utiliser de l'eau distillée, ou au moins de l'eau bouillie, en la purifiant autant que possible des impuretés par filtration.
3) - verrerie, dans lequel le cristal va croître.
Ses principales exigences : il doit également être parfaitement propre ; aucun corps étranger, même mineur, ne doit être présent à l'intérieur pendant tout le processus, car ils peuvent provoquer la croissance d'autres cristaux au détriment du principal.
4) - cristal de sel.
Il peut être « obtenu » à partir d’un paquet de sel ou d’une salière vide. Il y en aura presque certainement un approprié en bas qui ne pourra pas passer à travers le trou de la salière. Il faut choisir un cristal transparent avec une forme plus proche d'un parallélépipède.
5) - baguette magique: céramique en plastique ou en bois, ou une cuillère faite des mêmes matériaux.
L'un de ces éléments sera nécessaire pour mélanger la solution. Il serait sans doute inutile de rappeler qu’après chaque utilisation, ils doivent être lavés et séchés.
6) - vernis.
Un vernis sera nécessaire pour protéger le cristal fini, car sans protection, il s'effondrera dans l'air sec et dans l'air humide, il se dispersera en une masse informe.
7) - gaze ou du papier filtre.
Le processus de croissance d’un cristal.
Le récipient contenant de l'eau préparée est placé dans eau chaude(environ 50-60 degrés), du sel y est progressivement versé, en remuant constamment. Lorsque le sel ne peut plus se dissoudre, la solution est versée dans un autre récipient propre afin qu'aucun sédiment du premier récipient n'y pénètre. Pour garantir une meilleure pureté, vous pouvez verser à travers un entonnoir muni d’un filtre.
Désormais, le cristal préalablement « extrait » sur une ficelle est plongé dans cette solution afin qu'il ne touche pas le fond et les parois du récipient.
Couvrez ensuite la vaisselle avec un couvercle ou autre chose, mais de manière à ce que les corps étrangers et la poussière n'y pénètrent pas.
Placez le récipient dans un endroit sombre et frais et soyez patient - le processus visible commencera dans quelques jours, mais la croissance d'un gros cristal prendra plusieurs semaines.
Au fur et à mesure que le cristal grandit, le liquide diminuera naturellement et, par conséquent, environ une fois tous les dix jours, il sera nécessaire d'ajouter une nouvelle solution préparée conformément aux conditions ci-dessus.
Pendant toutes les opérations supplémentaires, les mouvements fréquents, les fortes contraintes mécaniques et les fluctuations de température importantes ne doivent pas être autorisés.
Lorsque le cristal atteint la taille souhaitée, il est retiré de la solution. Cela doit être fait avec beaucoup de précautions, car à ce stade il est encore très fragile. Le cristal retiré est séché de l'eau à l'aide de serviettes. Pour ajouter de la solidité, le cristal séché est recouvert d'un vernis incolore, qui peut être utilisé aussi bien à des fins ménagères que de manucure.
Et enfin, une mouche dans la pommade.
Un cristal ainsi cultivé ne peut pas être utilisé pour fabriquer une lampe à sel à part entière, car il utilise un minéral naturel spécial - la halite, qui contient de nombreux minéraux naturels.
Mais à partir de ce que vous avez, il est tout à fait possible de réaliser une sorte d'artisanat, par exemple un modèle miniature de la même lampe à sel, en insérant une petite LED dans le cristal, en l'alimentant à partir d'une batterie.
