Chaleur en conserve

Le développement de l’énergie solaire et l’abandon progressif des centrales nucléaires changeront radicalement notre approvisionnement énergétique: l’électricité et la chaleur excédentaires sont produites en été, mais les deux sont absentes pendant les mois d’hiver. Les technologies de stockage de la chaleur capables de stocker la chaleur estivale pour l’hiver pourraient venir à la rescousse. Les chercheurs de l’Empa tentent de trouver un moyen.

Texte: Rainer Klose, Empa,

Luca Baldini est membre du laboratoire Urban Energy Systems de l’Empa, où il dirige le groupe de recherche BEST (Building Energy Systems and Technologies). Lui et ses collègues sont des spécialistes en matière d’économie d’énergie qui s’accumule pendant l’été pour les mois d’hiver. Dans le passé, les systèmes de stockage de chaleur saisonniers servaient à assurer l’autosuffisance énergétique des maisons pour

passer l’hiver. «De nos jours, les systèmes de stockage de chaleur doivent être utilisés dans tout le pays et couplés à d’autres flux

d’énergie, comme l’électricité. En utilisant la chaleur stockée, nous pouvons réduire les émissions de CO 2 et réduire la charge de pointe croissante sur les réseaux électriques», explique Luca Baldini. Les technologies d’accumulation actuelles peuvent être divisées en quatre catégories (voir le graphique). L’Empa s’engage activement dans tous les domaines.

Systèmes de stockage: sondes terrestres et en fosses Les systèmes de stockage en fosse sont de vastes bassins de stockage couverts, remplis d’eau ou d’un mélange d’eau et de gravier. L’eau de ce que l’on appelle les systèmes de stockage de chaleur sensible est chauffée jusqu’à 90 °C à l’aide de la chaleur résiduelle de l’industrie. De cette façon, la chaleur peut être utilisée directement. Les systèmes de stockage à basse température, par contre, fonctionnent à une température de 5 à 25 °C. Les pompes à chaleur sont utilisées pour en extraire la chaleur. Ce type de système de stockage comprend également les sondes terrestres. Le groupe de Luca Baldini utilise une simulation informatique pour étudier la quantité maximale de chaleur qu’un champ de

sondes terrestres peut stocker et comment son fonctionnement peut être optimisé pour émettre le moins de CO 2 possible. Les chercheurs croient qu’un tel champ de sonde de terre peut subir des pertes de chaleur plus faibles que les sondes de terre individuelles et réduire considérablement la charge de pointe sur le réseau électrique.

Systèmes de stockage à changement de phase (stockage de glace) Dans ce cas, le milieu de stockage refroidit lorsque la chaleur est retirée jusqu’à ce que son état global passe, par exemple, de liquide à solide. En plus de la chaleur retirée du li

 Les accumulateurs d’énergie saisonniers permettent de transférer de gros volumes de chaleur de l’été vers l’hiver. (Graphique: Empa)

 Luca Baldini dirige à l’Empa le groupe de recherche BEST «Building Energy Systems and Technologies». Image: Empa quide, l’énergie de cristallisation libérée pendant le processus de solidification peut également être extraite. Un système de stockage

de glace, par exemple, ne libère qu’un tiers

de l’énergie stockée en refroidissant l’eau de 30 à 0 °C; les deux tiers de l’énergie sont libérés lorsque l’eau gèle ensuite. Selon la température de fusion, les pertes de chaleur sont très faibles. L’Empa exploite une installation de stockage de glace d’environ 70 m 3

qui sert à la production combinée de chaleur et de froid pour le bâtiment de recherche NEST et qui est en même temps disponible pour la recherche.

Systèmes de stockage thermochimique Ici, une substance «sèche» est humidifiée avec de l’eau, par exemple. L’absorption de l’eau génère de la chaleur. Une fois que la substance est complètement imbibée, le système de stockage a libéré toute son énergie thermique. Pour se recharger, il a

Stockage par puits et sondes géothermiques = stockage de chaleur sensible Stockage par puits et sondes géothermiques

Matériau Eau ou mélange eau-gravier, terre = stockage de chaleur sensible Avantage Technologie simple et résistante Inconvénient Matériau Uniquement intéressante pour les grands Eau ou mélange eau-gravier, terre Avantage accumulateurs (à partir d’env. 100 m 3 Technologie simple et résistante ), pertes thermiques dans l’environnement Inconvénient Uniquement intéressante pour les grands Fonctionnement L’accumulateur est chauffé par la chaleur accumulateurs (à partir d’env. 100 m 3 ), excédentaire, puis cette chaleur est récupertes thermiques dans l’environnement

pérée directement ou à l’aide d’une Fonctionnement L’accumulateur est chauffé par la chaleur pompe à chaleur. excédentaire, puis cette chaleur est récupérée directement ou à l’aide d’une pompe à chaleur.

25-90 °C

20 m 25-90 °C

20 m

refroidissement

refroidissement

réchauffage

réchauffage

3-20 °C

20 m 3-20 °C

20 m

Stockage par sorption = stockage thermochimique Stockage par sorption = stockage thermochimique

Matériau Soude caustique, zéolite ou MOF Matériau («metal-organic frameworks», cadres Soude caustique, zéolite ou MOF métallo-organiques) («metal-organic frameworks», cadres Avantage Avantage Densité d’énergie plus élevée, aucune perte de stockage, possible aussi pour métallo-organiques) Densité d’énergie plus élevée, aucune perte de stockage, possible aussi pour les petits accumulateurs les petits accumulateurs Inconvénient Fluide caloporteur onéreux, technique Inconvénient Fluide caloporteur onéreux, technique complexe complexe Fonctionnement La chaleur est stockée par le milieu Fonctionnement La chaleur est stockée par le milieu déshydraté. La chaleur est libérée déshydraté. La chaleur est libérée par humidification. L’énergie thermique par humidification. L’énergie thermique est stockée par séchage. est stockée par séchage.

sec sec

refroidissement refroidissement

réchauffage réchauffage

humide humide

refroidissement

liquide

liquide

refroidissement

réchauffage

réchauffage

solide

solide

Stockage par changement d’état = stockage de chaleur latente Stockage par changement d’état Matériau Eau, solution saline ou paraffine (liquide/ = stockage de chaleur latente solide). Matériau Avantage Meilleure capacité de stockage par voEau, solution saline ou paraffine (liquide/ solide). lume qu’avec le stockage par puits ou Avantage sonde géothermique Meilleure capacité de stockage par voInconvénient Fluide caloporteur onéreux (sel, paraffine), lume qu’avec le stockage par puits ou pompe à chaleur indispensable dans le sonde géothermique Inconvénient cas d’accumulateurs de glace Fluide caloporteur onéreux (sel, paraffine), Fonctionnement Le stockage prend la forme d’énergie de pompe à chaleur indispensable dans le cristallisation: eau qui se glace, paraffine cas d’accumulateurs de glace Fonctionnement qui se solidifie. La chaleur est libérée par Le stockage prend la forme d’énergie de solidification. L’énergie thermique est cristallisation: eau qui se glace, paraffine stockée par liquéfaction. qui se solidifie. La chaleur est libérée par solidification. L’énergie thermique est stockée par liquéfaction.

Gaz naturel + Biogaz Gaz naturel + Biogaz

refroidissement refroidissement

refroidissement refroidissement

CH CH 4 4

+ CO + CO 2 2

réchauffage réchauffage

H2 H 2

+H 2 +H O 2 O réchauffage réchauffage Installation Power-to-gas = conversion de courant excédenInstallation Power-to-gas taire par électrolyse = conversion de courant excédentaire par électrolyse

Matériau Hydrogène, gaz naturel Matériau Avantage Stockage d’électricité, production simul Hydrogène, gaz naturel Avantage tanée de chaleur et d’électricité, aucune Stockage d’électricité, production simultanée de chaleur et d’électricité, aucune perte de stockage perte de stockage Inconvénient Pertes importantes lors de la conversion Inconvénient Pertes importantes lors de la conversion de l’électricité en hydrogène ou en gaz de l’électricité en hydrogène ou en gaz naturel naturel Fonctionnement Les énergies solaire et éolienne excédenFonctionnement Les énergies solaire et éolienne excédentaires sont converties en hydrogène par taires sont converties en hydrogène par électrolyse. électrolyse. L’hydrogène permet de produire du gaz L’hydrogène permet de produire du gaz naturel. L’énergie stockée peut être utilinaturel. L’énergie stockée peut être utilisée dans des piles à combustible, des sée dans des piles à combustible, des turbines à gaz ou des moteurs. turbines à gaz ou des moteurs.

besoin de chaleur qui fait évaporer l’eau et «sèche» à nouveau la substance. Certains de ces systèmes de stockage fonctionnent à la zéolite, un minéral silicate synthétique poreux. Des matériaux microporeux, métal-organiques (appelés MOF) sont également à l’étude. Les chercheurs de l’Empa mènent de nombreux projets dans ce domaine: dans le cadre du projet THRIVE du PNR 70 (Programme national de recherche) mené en collaboration avec IBM Research à Rüschlikon, Matthias Koebel étudie les systèmes de stockage de chaleur par adsorption, qui pourraient devenir des composants de futures unités d’air conditionné. Luca Baldini et le groupe de recherche BEST étudient des systèmes de stockage de liquides faits d’une solution concentrée d’hydroxyde de sodium. L’alcali dégage de la chaleur lorsqu’il est dilué avec de l’eau; pour recharger le système de stockage, l’alcali doit être chauffé et donc déshydraté. Les systèmes de stockage thermochimique sont plus efficaces que les systèmes de stockage à changement de phase et de fosse. Elles sont donc idéales pour les systèmes de stockage de chaleur saisonniers compacts dans les bâtiments individuels.

Centrales électriques au gaz Dans le cas de la technologie Power-to-Gas, l’électricité est utilisée pour charger le système de stockage. L’électricité excédentaire provenant de l’énergie solaire et éolienne qui

«De nos jours, les systèmes de stockage de chaleur doivent être utilisés dans tout le pays et couplés à d’autres flux d’énergie, comme l’électricité.»

ne peut être utilisée immédiatement en été est transformée par électrolyse de l’eau en hydrogène et peut être stockée dans des bouteilles de gaz. Dans une autre étape, il est possible de produire du méthane (CH4) à partir d’hydrogène et de CO 2 – gaz naturel synthétique ou biogaz. Le méthane peut être stocké et distribué dans le réseau de gaz naturel existant. L’avantage de cette technologie: l’énergie emmagasinée de façon saisonnière peut être utilisée de deux façons: pour produire de la chaleur ou de l’électricité. L’Empa étudie la technologie Power-to-Gas dans le cadre de son projet de démonstration de mobilité à Dübendorf. La quantité d’énergie électrique excédentaire qui devrait être stockée dans des systèmes de stockage de chaleur ou convertie en sources d’énergie chimique comme l’hydrogène ou le méthane est une question cruciale pour notre futur système énergétique.

Participation aux commissions politiques Pour que la transition énergétique devienne une réalité, la recherche sur les systèmes de stockage de chaleur ne doit pas se faire à huis clos. Luca Baldini est ainsi un membre actif du Forum Energiespeicher de l’AEE Suisse, où il est également membre du Comité scientifique.

www.empa.ch