Stockage d'énergie thermique

La nécessité d’une dépendance accrue aux énergies renouvelables émerge régulièrement alors que nous essayons de lutter contre le changement climatique. Le dernier accord du COP28 l’a dit clairement, appelant à un triplement de la capacité d’énergie renouvelable et à un doublement des améliorations d’efficacité énergétique d’ici 2030. C’est une ambition audacieuse mais nécessaire pour approcher les objectifs net zero dans les délais requis.

Un sujet souvent négligé est la meilleure façon de gérer l’imprévisibilité de l’approvisionnement en énergie renouvelable. Et, quand il est discuté, il se concentre souvent sur des questions à haut niveau, comme la distribution sur le réseau et les approvisionnements énergétiques nationaux. Cependant, il peut falloir jusqu’à 15 ans pour que les extensions des réseaux de transport et de distribution d’électricité entrent en vigueur. Avec la nécessité d’une action immédiate pour limiter l’impact du changement climatique, il est urgent de regarder au-delà de la production d’électricité centralisée, et de se tourner vers la production de chaleur localisée.

Les crêtes et les creux de l’offre des ressources éoliennes et solaires, et l’augmentation considérable de la demande à mesure que la chaleur est électrifiée signifient qu’il est logique d’examiner les opportunités 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 d’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 continuons le chemin vers un avenir plus durable est évidente. Et, à mesure que les technologies évoluent pour répondre à cette demande, il convient de considérer l’impact plus large que ces options pourraient avoir sur notre environnement, au-delà de facteurs tels que les coûts en capital, l’efficacité et la production d’énergie. Nous examinons ici deux alternatives et considérons certaines de ces questions.

Aujourd’hui, les formes les plus courantes de stockage d’énergie pour la chaleur sont le stockage thermique par chaleur sensible et latente utilisant des matériaux à changement de phase (PCM), et le stockage thermochimique. Les options de stockage électrochimique se divisent en deux catégories : les condensateurs et les batteries. Bien que les condensateurs offrent des efficacités supérieures et une durée de vie accrue par rapport aux batteries, ils transportent bien moins de charge par unité de masse en comparaison.

Les batteries ont également fait l’objet de nombreuses recherches sur leur utilisation dans les systèmes de stockage d’énergie, y compris l’intégration avec les systèmes de technologies renouvelables. Les batteries au lithium phosphate de fer (LIPB) ont fait l’objet de plusieurs études évaluant leur utilisation, par exemple sur des parcs éoliens pour stocker l’énergie à utiliser lorsque le vent ne souffle pas. Leur efficacité s’améliore de manière spectaculaire lorsque plusieurs batteries sont utilisées, permettant des cycles de charge et décharge complets. D’autres articles se sont concentrés sur l’amélioration de leur efficacité, par exemple en contrôlant leur température de fonctionnement à l’aide de tapis chauffants, ou ont examiné leur impact sur l’environnement par le biais d’évaluations du cycle de vie (ACV).

Chez Spirax Sarco, en collaboration avec nos collègues de Chromalox, nous avons développé une forme innovante de TES : la SteamBattery. Celle-ci stocke la chaleur générée par un chauffe-eau électrique immergé sous forme d’eau chaude haute pression dans un récipient bien isolé.

Lorsque de la vapeur est nécessaire à partir de la SteamBattery, elle est prélevée de l’espace de gaz (ullage) du récipient, et est utilisée soit directement comme vapeur, soit indirectement au moyen d’un échangeur de chaleur pour se connecter à un système de chauffage « humide ». La vapeur condensée est retournée au récipient. À mesure que la vapeur est utilisée, la pression diminue jusqu’au point où la SteamBattery est complètement déchargée. Elle est rechargée par le chauffe-eau électrique immergé, qui peut utiliser l’électricité provenant de sources renouvelables directes ou du réseau lorsque l’énergie renouvelable à faible coût est disponible. Elle peut à la fois décharger de la vapeur et être rechargée simultanément, offrant de la flexibilité dans son utilisation et en tant que stockage tampon. Capable de se charger complètement en 8 heures, elle peut le faire pendant la nuit.

En utilisant la littérature actuelle sur les LIPB conjointement avec notre modèle, et les études existantes pour la SteamBattery, nous avons voulu comparer l’impact environnemental de ces deux solutions de stockage d’énergie. Il y avait certaines limites, dues aux frontières définies par les études sur les LIPB ; notamment une approche du berceau à la porte qui ne considère ni leur transport ni leur élimination en fin de vie.

Une fois la frontière du système établie, une gamme d’impacts environnementaux comparatifs a pu être évaluée. En raison de différences dans les modèles utilisés entre l’étude LIPB et celle de la SteamBattery, nous avons constaté que 10 des 18 catégories de l’étude LIPB offraient une comparaison directe.

Ce sont les plus pertinents en termes d’impact sur le changement climatique, et sont mesurés en kg d’équivalence en dioxyde de carbone. Les résultats montrent que la SteamBattery émettrait 8,58 kg/1 000 kWh d’énergie stockée sur toute sa durée de vie, tandis que le LIPB émettait 16,10/1 000 kWh sur toute sa durée de vie. En effet, la SteamBattery a la moitié des émissions de CO2 du LIPB sur toute sa durée de vie utile.

Nous avons examiné six catégories d’impact environnemental, y compris celles qui couvrent l’écotoxicité et l’eutrophication 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 révélée 95% moins impactante que le LIPB. Cela s’expliquait en grande partie par le processus de fabrication de la plaque de cathode nécessaire pour le LIPB.

En ce qui concerne les impacts terrestres, un tableau différent émerge. La production de dioxyde de soufre de la SteamBattery était de 83% inférieure à celle du LIPB. Cependant, son équivalent en dichlorobenzène était supérieur à celui du LIPB. Un examen plus approfondi, tenant compte des charges d’impact des deux produits dans les différentes catégories environnementales, a conclu qu’il s’agissait d’un domaine d’amélioration potentielle plutôt que d’un défaut sérieux.

L’évaluation a également souligné l’impact réduit de la SteamBattery sur les ressources naturelles, telles que les combustibles fossiles et l’eau. Notamment, les charges environnementales les plus élevées étaient prédominantes associées au LIPB, en particulier en matière d’écotoxicité marine et d’eau douce, tandis que l’impact le plus significatif de la SteamBattery était considérablement inférieur en écotoxicité terrestre.

À mesure que le besoin de systèmes de vapeur durables augmente, il est impératif de considérer plus que le simple fait d’éviter les combustibles fossiles. La résilience et l’avenir de la planète dépendent d’un ensemble d’autres facteurs, avec des considérations environnementales en haut de la liste. Cette étude préliminaire montre qu’une enquête plus holistique des options potentielles devrait toujours être considérée avant que les décisions finales ne soient prises.

Source :

Borbala Rebeka David, Sean Spencer, Jeremy Miller, Sulaiman Almahmoud, Hussam Jouhara : (Comparative environmental life cycle assessment of conventional energy storage system and innovative thermal energy storage system,2021).