One-step synthesis of anhydrous Mg(NO3)2-NaNO3-KNO3 molten salt for high-temperature thermal energy storage
Cette étude démontre qu'une synthèse par déshydratation en une seule étape d'un sel fondu ternaire anhydre de Mg(NO3)2-NaNO3-KNO3 améliore considérablement la stabilité thermique, abaisse la température de fusion et augmente la chaleur latente de fusion, ce qui en fait un candidat prometteur pour le stockage de l'énergie thermique à haute température dans les applications d'énergie solaire concentrée.
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Le problème collant du Soleil et la magie du sel sec
Imaginez que vous essayiez de stocker l'énergie du soleil comme vous stockez de l'argent dans une tirelire. Quand le soleil brille intensément, vous voulez capturer autant de cette chaleur que possible et la sauvegarder pour un jour de pluie — ou une nuit nuageuse. C'est l'idée principale derrière l'énergie solaire concentrée (CSP). Les scientifiques utilisent de gigantesques miroirs pour focaliser la lumière du soleil sur un récepteur, chauffant un liquide spécial qui circule dans des tuyaux. Ce liquide chaud fait ensuite tourner une turbine pour produire de l'électricité, même après le coucher du soleil.
Le problème est de trouver le liquide "tirelire" parfait. Pendant longtemps, les scientifiques ont utilisé un mélange de deux sels courants (nitrate de sodium et nitrate de potassium) car ils sont bon marché et retiennent bien la chaleur. Mais ils présentent quelques défauts agaçants : ils gèlent à des températures trop élevées (ce qui les rend difficiles à démarrer), et ils commencent à se décomposer et à "pourrir" s'ils deviennent trop chauds, ce qui limite la quantité d'énergie que l'on peut stocker. Pour corriger cela, les chercheurs ont essayé d'ajouter un troisième ingrédient : le nitrate de magnésium. C'est comme ajouter une épice secrète à une soupe pour abaisser son point de congélation. Cependant, le nitrate de magnésium qu'ils achètent habituellement arrive avec un sac à dos pesant de molécules d'eau attaché à lui (c'est un "hydrate"). Lorsque vous essayez de faire fondre ce sel humide, l'eau provoque un désastre chimique, créant une mélasse corrosive qui ruine le mélange et le rend instable à haute température. Le défi était le suivant : comment retirer l'eau sans briser le sel ou le faire exploser ?
L'astuce du séchage en une seule étape
Dans cette étude, une équipe de chercheurs de l'Université normale de Qinghai et d'autres institutions a décidé de s'attaquer de front à ce problème de "sel humide". Ils voulaient créer une version super stable et sans eau (anhydre) d'un mélange de trois sels : nitrate de magnésium, nitrate de sodium et nitrate de potassium. Au lieu d'acheter du nitrate de magnésium sec (qui est coûteux et difficile à manipuler), ils sont partis de la version humide et bon marché et ont trouvé un moyen ingénieux, en une seule étape, de le sécher directement à l'intérieur du mélange.
Imaginez les cristaux de nitrate de magnésium humide comme des éponges imbibées d'eau. Si vous les jetez simplement dans un four chaud, l'eau pourrait s'évaporer trop vite, provoquant l'effritement de l'éponge ou une mauvaise réaction avec les autres sels. Les chercheurs ont conçu un "programme de cuisson" spécifique pour presser doucement l'eau hors du sel. Ils ont placé le nitrate de magnésium humide dans un récipient spécial et l'ont chauffé par étapes. D'abord, ils l'ont chauffé à 150 °C, puis à 250 °C, et enfin à 300 °C, en le maintenant à chaque température pendant un temps précis. Ils ont fait cela sous vide (un espace sans air) ou sous un flux de gaz pour évacuer la vapeur d'eau dès qu'elle quittait le sel. Ce processus de séchage méticuleux et par étapes a transformé le sel humide et instable en une poudre sèche et stable, sans laisser le sel se transformer en la "mélasse" corrosive qui se produit habituellement.
Une fois le nitrate de magnésium sec, ils l'ont mélangé aux deux autres sels pour créer leur nouveau sel fondu ternaire "MNK". Ils ont ensuite soumis ce nouveau mélange à une batterie de tests pour voir comment il se comportait par rapport à l'ancienne version humide. Ils ont utilisé une machine appelée TG-DSC, qui est comme une balance super intelligente qui mesure également la chaleur. Elle chauffe le sel lentement tout en le pesant pour voir s'il perd du poids (ce qui signifierait qu'il se décompose ou perd de l'eau) et mesure l'énergie nécessaire pour le faire fondre.
Les résultats étaient très prometteurs. Le nouveau sel sec était un bien meilleur matériau de stockage thermique que la version humide. Premièrement, il ne commence à se décomposer qu'à 457,6 °C, alors que la version humide commençait à se désagréger à seulement 404,1 °C. C'est un événement majeur car cela signifie que vous pouvez chauffer le sel beaucoup plus haut, stockant ainsi plus d'énergie sans qu'il ne "pourrisse". Les chercheurs ont constaté que le sel sec pouvait fonctionner en toute sécurité jusqu'à 450 °C, étendant ainsi la "zone de sécurité" des centrales solaires.
Deuxièmement, le sel sec fondait à une température plus basse. Le mélange humide devait atteindre 157,5 °C avant de devenir liquide, mais la version sèche commençait à fondre à 148,2 °C. Cela facilite le démarrage du système le matin. Mieux encore, lorsqu'il fondait, il absorbait plus d'énergie. La "chaleur latente de fusion" (l'énergie qu'il absorbe pendant la fusion) est passée de 66,61 J·g⁻¹ pour le sel humide à 88,71 J·g⁻¹ pour le sel sec. C'est un boost significatif de la "puissance de batterie" du sel.
L'équipe a également vérifié si le sel survivrait au fait d'être chauffé et refroidi de nombreuses fois, simulant des années de cycles jour-nuit. Après avoir chauffé le sel sec à 450 °C et l'avoir laissé refroidir, ils l'ont pesé. Il n'a presque pas perdu de masse (seulement environ 2,01 % après 300 heures à haute température), prouvant qu'il était très stable. En revanche, le sel humide a perdu beaucoup de masse (8,61 %) à la même température car l'eau à l'intérieur s'échappait et le sel se décomposait. Ils ont même recherché des signes chimiques de problèmes, comme la présence d'un sous-produit corrosif appelé hydroxynitrate de magnésium. Ils ont trouvé cette substance nocive dans les échantillons de sel humide, mais elle était totalement absente du sel sec.
L'article conclut que cette méthode de séchage simple en une étape est un moyen viable de fabriquer un sel de haute performance pour l'énergie solaire. En retirant soigneusement l'eau avant que le sel ne fonde, ils ont créé un matériau qui est plus stable, retient plus de chaleur et peut supporter des températures plus élevées que le mélange humide traditionnel. Bien que l'article ne prétende pas que ceci soit la solution finale pour toute l'énergie solaire, il suggère que ce sel sec spécifique est un candidat très sérieux pour rendre le stockage de l'énergie solaire plus efficace et plus fiable.
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