A l’image des méthodes de production d’énergie modernes qui sont conçues pour tirer le maximum de la puissance de moindre quantité de carburant, les ingénieurs sont constamment à la recherche de techniques pour améliorer l’efficacité. Une façon d’y parvenir est de piéger l’énergie restante laissée par le processus de production pour capturer et de convertir la chaleur à faible teneur en une énergie utilisable. Dans la poursuite de cet objectif, les ingénieurs de l’Université d’État de Pennsylvanie ont produit une batterie à base d’ammoniac qui non seulement capte et convertit la chaleur perdue économiquement et efficacement, mais prétend le faire avec une plus grande capacité que les autres systèmes similaires.
La chaleur résiduelle est une conséquence de tout le travail généré et de la production d’énergie mécanique et – en fonction de l’efficacité de la conversion de l’énergie – peut produire une grande quantité de chaleur qui est tout simplement perdue dans l’atmosphère par les tours de refroidissement ou les gaz d’échappement des moteurs.
Cela est particulièrement vrai du charbon et des centrales nucléaires qui génèrent des températures élevées pour la production d’électricité, et par conséquent de grandes quantités de chaleur à basse température.
La Batterie Thermique Régénérative à base d’ammoniac ou TRAB (Thermally Regenerative Ammonia Battery) créée par les par les ingénieurs de Penn State est conçue pour capturer cette chaleur perdue, « essorer » son énergie restante et la stocker pour une utilisation ultérieure.
« L’utilisation de la chaleur perdue pour la production d’énergie permettrait la production d’électricité supplémentaire sans consommation supplémentaire de combustibles fossiles», a déclaré Bruce E. Logan, le professeur Evan Pugh et le professeur Kappe en génie de l’environnement. « Les batteries régénératrices thermiquement sont une façon neutre en carbone de stocker et de transformer la chaleur résiduelle en électricité à un coût potentiellement plus faible que les dispositifs à l’état solide. »
Les autres méthodes de conversion de la chaleur perdue en énergie électrique produisent souvent une trop petite charge par rapport à la quantité d’électrolyte ou de matériau de conversion utilisé. Par exemple, les batteries à base de tellurure convertissent à peu près seulement 15 à 20 % de la chaleur en énergie, tandis que d’autres substances plus efficaces, comme le fulvalène diruthénium promettent des rendements plus élevés, mais sont beaucoup trop chers et rares pour être pratiques.
Selon les chercheurs de Penn State, le nouveau système de batterie de régénération thermique utilise des électrodes en cuivre et de l’ammoniac comme électrolyte et convertit environ 29 % de l’énergie chimique contenue dans la batterie en électricité. Contrairement à d’autres batteries, cependant, l’électrolyte d’ammoniac est utilisé uniquement comme un anolyte (électrolyte entourant une anode) qui réagit avec l’électrode de cuivre à mesure que l’ammoniac est chauffé, produisant de l’électricité. La réaction de l’ammoniac avec la chaleur sur l’électrode de cuivre, cependant, ne peut durer longtemps.
« La batterie durera jusqu’à la réaction utilise l’ammoniac nécessaire pour la formation du complexe dans l’électrolyte à proximité de l’anode ou épuise les ions de cuivre dans l’électrolyte à proximité de la cathode », a déclaré Fang Zhang, chercheur postdoctoral en ingénierie environnementale. « Puis la réaction s’arrête. »
C’est là que ce nouveau type de batterie vient par lui-même. En exploitant la chaleur perdue provenant d’une source extérieure, les chercheurs distillent ammoniac du fluide utilisé dans la chambre d’anolyte de la batterie puis la recharge dans la chambre de la cathode de la batterie. En conséquence, la chambre contenant l’ammoniac devient maintenant la chambre d’anode et du cuivre est à nouveau déposé sur l’électrode dans ce qui est maintenant la chambre de la cathode (anciennement l’anode).
En d’autres termes, l’ammoniac est commuté dans les deux sens entre les deux chambres de retenue, en maintenant la quantité de cuivre déposée sur les électrodes.
« Ici, nous présentons une batterie thermique régénérative à base d’ammoniac très efficace, peu coûteuse et évolutive où le courant électrique est produit à partir de la formation de complexe d’ammoniac de cuivre», a déclaré les chercheurs dans leur rapport. « Si nécessaire, la batterie peut être déchargée de façon que l’énergie chimique stockée soit convertie efficacement en énergie électrique. »
Une densité de puissance d’environ 60 watts par mètre carré sur de nombreux cycles de charge/décharge est revendiquée par les chercheurs, affirmant que leur densité de puissance du système de batterie est de six à dix fois supérieure à celle créée par d’autres systèmes de conversion d’énergie thermique-électrique centrés sur des liquides.
En outre, l’augmentation de la densité de puissance a été observée par les chercheurs à la suite de l’augmentation du nombre de batteries dans le système, ce qui indique que le prototype peut être élargi pour le rendre commercialement viable.
