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Stockage d'énergie thermique ou Thermal Energy Storage (TES)

Un examen plus approfondi des options

windmill and solar panels

 

La nécessité d'un recours accru aux énergies renouvelables revient régulièrement à l'ordre du jour dans le cadre de la lutte contre le changement climatique. Le dernier accord de la COP28 l'a clairement énoncé, appelant à tripler la capacité des énergies renouvelables et à doubler les améliorations de l'efficacité énergétique d'ici à 2030. Il s'agit d'une ambition audacieuse mais nécessaire pour se rapprocher des objectifs du zéro emissions nettes dans les délais impartis.

La meilleure façon de gérer l'imprévisibilité de l'approvisionnement en énergies renouvelables est un sujet souvent négligé. Lorsqu'elle est abordée, elle se concentre souvent sur des questions de haut niveau, comme la distribution du réseau et l'approvisionnement national en électricité. Toutefois, l'entrée en vigueur des extensions des réseaux de transport et de distribution d'électricité peut prendre jusqu'à 15 ans. Compte tenu de la nécessité de prendre des mesures immédiates pour limiter l'impact du changement climatique, il est urgent d'aller au-delà de la production centralisée d'électricité et de se tourner vers la production locale de chaleur.

 
Les pics et les creux de l'offre provenant des ressources éoliennes et solaires, ainsi que l'augmentation considérable de la demande due à l'électrification de la chaleur, signifient qu'il est judicieux d'étudier les possibilités de nouvelles synergies entre les secteurs de l'électricité et de la chaleur.

 

Le stockage d'énergie thermique (TES) et d'autres formes de stockage de l'énergie de longue durée (LDES) sont deux voies prometteuses pour maximiser le potentiel d'une situation en évolution.

La nécessité d'adopter des méthodes de TES alors que nous poursuivons notre voyage vers un avenir plus durable est évidente. Et, à mesure que les technologies évoluent pour répondre à cette demande, il convient d'examiner l'impact plus large que ces options peuvent avoir sur notre environnement, au-delà de facteurs tels que les coûts d'investissement, l'efficacité et la production d'énergie. Nous examinons ici deux alternatives et nous nous penchons sur certaines de ces questions.

 

Le stockage de l'énergie sous forme de chaleur : batteries conventionnelles

Aujourd'hui, les formes les plus courantes de stockage de l'énergie pour la chaleur sont le stockage thermique via le stockage de la chaleur sensible et latente à l'aide de matériaux à changement de phase (MCP), et le stockage thermochimique. Les options de stockage électrochimique sont divisées en deux catégories : les condensateurs et les batteries. Si les condensateurs offrent un rendement plus élevé et une durée de vie plus longue que les batteries, ils transportent en revanche beaucoup moins de charge par unité de masse.

Les batteries ont également fait l'objet de nombreuses recherches sur leur utilisation dans les systèmes de stockage d'énergie, y compris leur intégration dans les systèmes de technologies renouvelables.

Les batteries lithium-fer-phosphate (LIPB) ont fait l'objet de plusieurs études évaluant leur utilisation, notamment dans les parcs éoliens pour stocker de l'énergie lorsque le vent ne souffle pas. Leur efficacité s'améliore considérablement lorsque plus d'une batterie est utilisée, ce qui permet des cycles de charge et de décharge complets.

D'autres documents se sont concentrés sur l'amélioration de leur efficacité, par exemple en contrôlant leur température de fonctionnement à l'aide de matelas chauffants, ou ont étudié leur impact sur l'environnement par le biais d'analyses du cycle de vie (ACV).

 

Une nouvelle alternative: LA « STEAMBATTERY » (littéralement Batterie vapeur)

Chez Spirax Sarco, en collaboration avec des collègues de Chromalox, nous avons développé une forme innovante de TES : la SteamBattery. Elle stocke la chaleur générée par un appareil de chauffage électrique immergé sous forme d'eau chaude à haute pression dans un récipient bien isolé.

Lorsque la vapeur de la SteamBattery est nécessaire, elle est prélevée dans l'espace supérieur de la cuve et est utilisée soit directement comme vapeur, soit indirectement au moyen d'un échangeur de chaleur.  La vapeur condensée est renvoyée dans la cuve. Au fur et à mesure que la vapeur est utilisée, la pression diminue jusqu'à ce que la SteamBattery soit complètement déchargée.

Elle est rechargée par le chauffage électrique immergé, qui peut utiliser de l'électricité provenant de sources renouvelables directes ou du réseau lorsque de l'énergie renouvelable à faible coût est disponible. Elle peut à la fois évacuer de la vapeur et être re-chargée, ce qui lui confère une grande souplesse d'utilisation et lui permet de servir de stockage tampon. Capable de se recharger complètement en 8 heures et même pendant la nuit.

 

steam battery

Tenir compte de l'impact environnemental au sens large

En utilisant la littérature actuelle sur les LIPB, notre modèle et les études existantes sur la SteamBattery, nous avons cherché à comparer l'impact environnemental de ces deux solutions de stockage d'énergie. Certaines limites ont été imposées par les limites fixées par les études du LIPB, notamment une approche "du début à la fin" qui ne tient compte ni du transport ni de l'élimination en fin de vie.

Une fois les limites du système établies, une série d'impacts environnementaux comparatifs ont pu être évalués. En raison des différences entre les modèles utilisés dans l'étude du LIPB et dans celle de la SteamBattery, nous avons constaté que 10 des 18 modèles de l'étude du LIPB permettaient une comparaison directe.

 

Gaz à effet de serre (GES) :

Ce sont les plus pertinents pour l'impact sur le changement climatique, et ils sont mesurés en kg d'équivalence de dioxyde de carbone. Les résultats montrent que la SteamBattery émettrait 8,58 kg/1000 kWh d'énergie stockée pendant toute sa durée de vie, tandis que la LIPB émettrait 16,10/1000 kWh pendant toute sa durée de vie. En effet, la SteamBattery émet deux fois moins de CO2 que la LIPB pendant toute sa durée de vie.

Effet sur les écosystèmes :

Nous avons examiné six catégories d'impact sur l'environnement, notamment celles qui couvrent l'écotoxicité et l'eutrophisation dans les environnements marins et d'eau douce, ainsi que l'acidification et l'écotoxicité dans les environnements terrestres. Pour les environnements d'eau douce et marins, la SteamBattery s'est avérée 95 % moins impactante que la LIPB. Cela s'explique en grande partie par le processus de fabrication de la plaque cathodique nécessaire pour le LIPB.

L'examen des impacts terrestres fait apparaître un tableau différent. La production de dioxyde de soufre de la SteamBattery était inférieure de 83 % à celle de la LIPB. Toutefois, son équivalent en dichlorobenzène était plus élevé que celui de la LIPB. Un examen plus approfondi, portant sur les charges d'impact des deux produits dans les différentes catégories environnementales, a permis de conclure qu'il s'agissait d'un domaine susceptible d'être amélioré plutôt que d'un défaut grave.

 

graphical battery comparison

L'évaluation a également mis en évidence l'impact réduit de SteamBattery sur les ressources naturelles, telles que les combustibles fossiles et l'eau. Notamment, les charges environnementales les plus élevées étaient principalement associées à la LIPB, en particulier en ce qui concerne l'écotoxicité marine et d'eau douce, tandis que l'impact le plus important de la SteamBattery était considérablement plus faible en ce qui concerne l'écotoxicité terrestre.

La nécessité de disposer de systèmes à vapeur durables s'accroît et il est impératif de ne pas se contenter d'éviter les combustibles fossiles. La résilience et l'avenir de la planète dépendent d'une multitude d'autres facteurs, parmi lesquels les considérations environnementales figurent en bonne place.

Cette première étude montre qu'une étude plus globale des options potentielles devrait toujours être envisagée avant de prendre des décisions définitives.

 

Vers une vapeur durable

Notre besoin de vapeur, dans de nombreux secteurs, ne se dément pas. Nous sommes déterminés à faire en sorte que son avenir soit positif, pour les personnes et la planète.  L'innovation, l'optimisation et la meilleure gestion des systèmes de vapeur seront essentielles pour son avenir durable.