La décarbonisation des industries lourdes sera l’un des problèmes les plus difficiles à résoudre au cours de la prochaine décennie. L’acier, le ciment et le fer combinés représentent plus d’un cinquième des émissions mondiales de CO2 et sont notoirement difficiles à décarboner. Le stockage d’énergie thermique (TES) peut jouer un rôle clé dans la décarbonisation de ces trois secteurs et d’autres industries utilisant la chaleur à haute température.

Le stockage d’énergie thermique (TES) offre une nouvelle solution pour décarboner les industries lourdes, telles que la sidérurgie, la sidérurgie et le ciment. De nouveaux matériaux et procédés ont permis aux innovateurs d’atteindre des températures de plus de 1 000 degrés – la plage de températures requise pour décarboner les secteurs difficiles à réduire, tels que l’acier et le ciment, ainsi que la production d’électricité. La chaleur à basse température pourrait être utilisée dans des applications industrielles, telles que la production de méthanol ou de papier et de pâte, ainsi que dans le chauffage urbain.

Les systèmes TES utilisent de l’énergie renouvelable qui doit être réduite ou vendue sur le marché à un coût très bas comme intrant, qui est ensuite stockée en chauffant des matériaux ayant de bonnes propriétés thermiques. Ce n’est pas un nouveau concept. Les systèmes d’énergie solaire concentrée (CSP), qui rayonnent de la chaleur vers un récepteur qui utilise du sel fondu, existent depuis des décennies pour transporter et stocker l’électricité. En fait, il y a un total de 6,8 GW de capacité de sel fondu installée dans le monde, mais ces technologies ont toujours été limitées en termes de plage de température et d’applications.

De nouveaux matériaux avancés progressent dans l’innovation

Les innovateurs ont expérimenté de nouveaux matériaux, tels que le graphite, le silicium et la brique réfractaire. Spin-out de Stanford Énergie Antora utilise le graphite comme conduit de stockage de chaleur, dans un système qu’il appelle un «grille-pain géant» et prétend atteindre des températures allant jusqu’à 1 500 ° C degrés. On pense que les propriétés thermiques et les performances du graphite s’améliorent lorsqu’il fonctionne dans des environnements à haute température.

Un autre innovateur basé aux États-Unis, Rondo Énergie, utilise la brique réfractaire pour stocker la chaleur, qui est utilisée dans l’industrie sidérurgique depuis des années. Rondo a récemment atteint des températures commerciales de plus de 1 000 °C dans un environnement de test.

Kraftblock et Énergie d’alumine utiliser différents alliages céramiques pour atteindre des températures de 1 300 à 1 600 °C. Nouvelle venue du MIT Solutions thermiques électrifiées prétend atteindre une chaleur allant jusqu’à 1 800 °C en utilisant des briques, mais l’entreprise n’en est qu’à un stade très précoce de son développement. Kraftblock est déjà en train de développer une installation de stockage thermique de 150 MWh pour le fabricant de produits alimentaires Pepsico aux Pays-Bas pour remplacer une chaudière à gaz de 25 MW.

Les universités et les laboratoires nationaux ont joué un rôle clé dans le développement de nouveaux matériaux à haute température et beaucoup expérimentent de nouvelles innovations. Le projet NREL ENDURING utilise du silicium fondu pour stocker jusqu’à 26 GWh d’énergie à 1 200 °C.

Le groupe de recherche sur la stimulation et l’énergie atomiques du MIT étudie une batterie thermique au silicium pouvant atteindre une température de 2 400 ° C et utiliser le photovoltaïque à jonctions multiples pour se décharger en électricité. En 2021, le laboratoire a établi le record du monde de la pompe à métal liquide à la température la plus élevée à 2 082 °C.

TES pour la production d’électricité

Le TES peut également être utilisé pour stocker de l’énergie. L’énergie renouvelable est stockée sous forme de chaleur et reconvertie en électricité à l’aide de générateurs ou d’échangeurs de chaleur dans un processus d’alimentation en chaleur en électricité (P2H2P) lorsque les pics de demande ou les prix de l’électricité sont élevés. Cependant, par rapport aux technologies concurrentes de stockage d’énergie de longue durée (LDES) qui peuvent atteindre jusqu’à 90 %, l’efficacité aller-retour du processus P2H2P n’est que d’environ 50 %.

Pourtant, TES est l’une des très rares solutions disponibles pour le stockage saisonnier qui s’étend sur des jours, voire des semaines. De nombreux innovateurs dans l’espace TES ne considèrent pas les marchés de l’électricité comme leur principale source de revenus, mais sont ouverts à recevoir des paiements de capacité pour la production d’électricité ad hoc, comme l’exige le GRT. Énergie Antora, par exemple, envisage de reconvertir la chaleur en électricité en utilisant un procédé thermophotovoltaïque en irradiant la chaleur sur des panneaux solaires.

Certains innovateurs, cependant, sont entièrement orientés vers la production d’énergie, tels que le développeur de sels fondus MalteInnovateur de la batterie CO2 Dôme énergétique, et alliages métalliques société TES Azélio. Les innovateurs soutiennent qu’une faible efficacité aller-retour n’est pas pertinente car la puissance d’entrée est gratuite car elle serait autrement réduite ou à très faible coût. Malta et Energy Dome affirment également qu’ils peuvent réaliser des économies en utilisant des composants standards prêts à l’emploi, tels que des turbines, des générateurs et des compresseurs.

TES pour le chauffage urbain

La troisième application clé des batteries TES est le chauffage urbain. Ces solutions ne nécessitent généralement pas de températures très élevées et peuvent fonctionner dans la plage de 500 à 750°C. Alors que les applications électriques et industrielles du TES en sont encore à leurs balbutiements, les solutions TES commerciales pour le chauffage urbain sont déjà opérationnelles.

Développeur finlandais Énergie de nuit polaire a mis en service le premier système de chauffage urbain à base de sable au monde à Kankaanpää, dans l’ouest de la Finlande. Le système de 8 MWh fournit de la chaleur aux 12 500 habitants de Kankaanpää pendant 80 heures.

Un autre innovateur scandinave, Hyme, construit une centrale de 1 MW/20 MWh sur l’île danoise de Bornholm. Après sa mise en service en 2024, le système à sels fondus fournira de la chaleur, de l’électricité et des services auxiliaires pour le réseau local.

Regarder vers l’avant

Au moins neuf innovateurs TES avancés ont achevé des usines de démonstration. Nous pensons que le filet de pilotes TES récents deviendra une vague en 2023-2024, avec une commercialisation probable dans les cinq prochaines années.

Avec très peu de solutions en place, les innovateurs se feront concurrence et vendront sur un marché océan bleu. Les innovations qui atteignent une chaleur suffisamment élevée pour décarboner les industries sont capables de plages de chaleur pour générer de l’électricité (> 500 ° C), faisant du TES une solution de stockage d’énergie de longue durée.