Qu’est-ce que le stockage d’énergie thermique ? Un guide pour l’avenir de l’énergie propre

La transition mondiale vers une économie d'énergie propre, alimentée par des sources renouvelables telles que le solaire et l'éolien, est en bonne voie. Toutefois, ces puissantes ressources présentent un défi opérationnel fondamental : l'intermittence. Le soleil ne brille pas toujours et le vent ne souffle pas toujours, ce qui crée un décalage temporel entre le moment où l'énergie est produite et celui où elle est consommée. Cette variabilité peut mettre à rude épreuve les réseaux électriques et entraver l'intégration à grande échelle des énergies renouvelables.

C'est dans de tels scénarios que le stockage de l'énergie thermique (TES) apparaît comme une technologie fondamentale. Il apporte la flexibilité nécessaire pour construire un système énergétique résilient, fiable et décarboné. La valeur fondamentale du TES réside dans sa capacité à découpler le moment de la production d'énergie du moment de l'utilisation. Une façon utile de conceptualiser cela est de parler d'une "batterie thermique" à grande échelle. Alors qu'une batterie classique stocke l'énergie sous forme chimique, une batterie thermique la stocke sous forme de chaleur ou de froid. Elle capte l'énergie renouvelable abondante et abordable lorsqu'elle est disponible et la distribue des heures, des jours, voire des saisons plus tard, au moment où elle est la plus nécessaire et la plus précieuse.

Pour les propriétaires fonciers, les investisseurs et les décideurs politiques, il est essentiel de bien comprendre le stockage de l'énergie thermique afin de dégager de nouvelles sources de revenus, de réaliser des investissements financiers judicieux et d'élaborer une politique énergétique efficace.

À la base, le stockage de l'énergie thermique est une technologie conçue pour stocker l'énergie thermique en chauffant ou en refroidissant un support de stockage, de sorte que l'énergie stockée puisse être utilisée à un moment ultérieur. Ce processus est remarquablement efficace et peut être décomposé en un cycle fondamental en trois étapes.

Tout d'abord, pendant la phase de chargement, une source d'énergie est utilisée pour modifier la température du support de stockage. Cette énergie peut provenir de différentes sources, mais une méthode courante consiste à utiliser de l'électricité bon marché ou excédentaire provenant du réseau, souvent de sources renouvelables, pour alimenter un chauffage résistif qui réchauffe le support. Le système peut également capter l'énergie solaire concentrée ou récupérer la chaleur des déchets industriels qui serait autrement perdue. Une fois chargée, l'énergie thermique est contenue dans un système hautement isolé pendant la phase de stockage afin de minimiser la perte de chaleur au fil du temps. La durée du stockage est un paramètre clé de la conception et peut aller de quelques heures à plusieurs mois. Enfin, lorsque l'énergie est nécessaire, elle est extraite du fluide de stockage au cours de la phase de décharge. Il peut s'agir de faire passer le fluide chaud dans un échangeur de chaleur pour produire de la vapeur destinée à la production d'électricité, de fournir de la chaleur à haute température directement à un four industriel ou de faire circuler de l'eau chaude ou réfrigérée pour la climatisation d'un bâtiment.

Ce cycle simple permet aux systèmes de SET de fonctionner comme un outil polyvalent de gestion de l'énergie, en comblant le fossé entre l'offre et la demande d'énergie.

Le stockage de l'énergie thermique n'est pas une technologie unique mais un portefeuille diversifié, chaque approche offrant des caractéristiques et des profils de performance uniques. Ces technologies sont classées en trois catégories principales en fonction du mécanisme physique ou chimique utilisé pour stocker l'énergie. Pour les investisseurs et les développeurs, il est essentiel de comprendre les différents compromis entre ces technologies.

Le stockage de la chaleur sensible est la forme la plus aboutie et la plus simple sur le plan commercial des systèmes de SET. Le principe est simple : l'énergie est stockée en augmentant la température d'un support de stockage, et elle est évacuée en extrayant cette chaleur lorsque le support se refroidit. Le choix du fluide est une décision de conception cruciale. L'eau n'a pas son pareil pour les applications à basse température en raison de son faible coût et de sa capacité calorifique élevée, ce qui la rend dominante dans les systèmes de chauffage urbain. Pour les applications à haute température, en particulier dans les centrales solaires à concentration (CSP), les sels fondus sont la norme industrielle, capables de fonctionner jusqu'à 600°C pour permettre une production efficace d'électricité. Le principal problème des sels fondus est leur point de congélation élevé, qui nécessite des systèmes de chauffage auxiliaires pour éviter les blocages. Une troisième option consiste à utiliser des matériaux solides tels que les roches, le sable et les briques en céramique. Ces matériaux sont robustes, peu coûteux et peuvent supporter des températures extrêmement élevées (plus de 1 000 °C), ce qui les rend exceptionnellement bien adaptés pour fournir une chaleur propre et de haute qualité à l'industrie lourde.

Les systèmes de stockage de chaleur latente représentent une approche plus avancée qui utilise des matériaux à changement de phase (MCP). Ces substances stockent et libèrent de grandes quantités d'énergie lorsqu'elles passent de l'état solide à l'état liquide. L'avantage technique déterminant de ce processus est que ce transfert d'énergie se produit à une température presque constante, ce qui permet un contrôle thermique plus précis dans diverses applications. L'adoption généralisée de la technologie LHS est actuellement limitée moins par le concept que par des défis importants en matière de science des matériaux. La recherche et le développement sont principalement axés sur l'amélioration de la stabilité à long terme des MCP, dont certains ont tendance à se dégrader après des cycles répétés de gel/dégel, et sur l'amélioration de leur conductivité thermique pour permettre une charge et une décharge plus rapides. La propriété intellectuelle et la croissance future du marché des LHS résident dans la création de MCP avancés qui surmontent ces limitations

Le stockage thermochimique représente la catégorie de stockage thermique la plus avancée et, à bien des égards, la plus transformatrice. Contrairement au SHS et au LHS, qui stockent l'énergie sous forme de chaleur sensible ou latente, le TCS stocke l'énergie dans le potentiel des liaisons chimiques réversibles. Dans ce processus, la chaleur à haute température entraîne une réaction endothermique qui décompose un composé chimique en deux ou plusieurs produits distincts. Ces produits peuvent ensuite être stockés à température ambiante indéfiniment avec une perte d'énergie pratiquement nulle. Lorsque l'énergie est nécessaire, les produits sont recombinés dans une réaction exothermique, libérant l'énergie chimique stockée sous forme de chaleur à haute température. Cette capacité de stockage à long terme et sans perte fait des SDC un candidat de choix pour les applications saisonnières, telles que la capture de l'énergie solaire abondante en été et sa restitution sous forme de chaleur en hiver. Bien qu'il s'agisse de la technologie la moins aboutie des trois, les systèmes de transport et de stockage de l'énergie promettent d'offrir un nouveau niveau de flexibilité au réseau électrique.

Le stockage de l'énergie thermique est une plateforme polyvalente dotée d'un large éventail d'applications qui créent une valeur distincte pour les différentes parties prenantes. De la stabilisation des réseaux électriques nationaux à la décarbonisation de l'industrie lourde, le TES est un outil essentiel pour la transition énergétique.

Dans le cas de l'énergie solaire à concentration, l'intégration des systèmes de SET dans des réservoirs de sels fondus transforme une ressource solaire intermittente en une centrale d'énergie renouvelable de base pouvant être répartie et capable de fournir une énergie fiable 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour le réseau électrique dans son ensemble, le système TES agit comme une puissante force stabilisatrice en absorbant les fluctuations de la production renouvelable et en la libérant sous la forme d'un bloc d'énergie régulier et prévisible. Cela renforce la fiabilité et la résilience du réseau.

Dans le secteur industriel, qui est l'un des plus difficiles à décarboniser, le système TES offre une voie directe et économiquement convaincante pour électrifier la chaleur industrielle. En utilisant de l'électricité renouvelable à faible coût pour chauffer un support de stockage tel que des briques en céramique, les systèmes TES peuvent fournir une chaleur propre, fiable et à haute température sur demande, remplaçant directement les chaudières et les fours à combustible fossile tout en se protégeant contre la volatilité des prix des combustibles.

Enfin, dans l'environnement bâti, le système TES offre une série de solutions puissantes. À grande échelle, les systèmes TES centralisés peuvent servir de cœur aux réseaux de chauffage et de refroidissement urbains. Pour les bâtiments commerciaux individuels, les systèmes de stockage de la fraîcheur peuvent réduire considérablement la consommation d'électricité pendant les heures de pointe. Cela permet non seulement de réduire les factures d'électricité, mais aussi d'améliorer la résilience de nos communautés.

Pour les investisseurs, la décision de financer un projet de stockage d'énergie thermique repose sur une logique économique claire. La rentabilité d'un actif TES est souvent moins liée à la technologie de base elle-même qu'à la structure du marché et aux opportunités de service de réseau dans lesquelles il opère.

Le concept le plus crucial pour maximiser le rendement financier d'un projet TES est l'empilement des revenus. Le fait de s'appuyer sur un seul flux de valeur limite considérablement le potentiel de gain d'un projet. Les projets TES les plus réussis sont conçus pour capter simultanément plusieurs flux de revenus. Il s'agit notamment de tirer des revenus de l'arbitrage énergétique en fonction de l'heure d'utilisation, en chargeant avec de l'énergie à faible coût et en déchargeant lorsque les prix sont élevés. Pour les clients industriels, il s'agit de réaliser des économies en réduisant la charge de la demande. Sur les marchés organisés de l'électricité, cela implique de faire des offres pour fournir des services auxiliaires précieux tels que la régulation de la fréquence. Un système de gestion de l'énergie sophistiqué, capable d'optimiser le fonctionnement de l'actif en temps réel, est essentiel pour libérer toute cette valeur.

Une politique gouvernementale favorable joue un rôle décisif dans l'accélération du déploiement. Aux États-Unis, la loi sur la réduction de l'inflation (IRA) a eu un impact particulier. Elle a modifié le crédit d'impôt à l'investissement (ITC) pour le rendre disponible pour la première fois pour des projets de stockage d'énergie autonomes. Cela offre une grande flexibilité dans l'implantation et la conception des projets. Le crédit de base de 30 %, assorti de primes potentielles, réduit considérablement les coûts d'investissement initiaux et améliore l'économie du projet. Ce soutien fédéral, combiné aux objectifs d'approvisionnement et aux programmes d'incitation au niveau des États, crée de puissants vents contraires pour l'industrie.

Bien que de nombreuses technologies TES soient parvenues à maturité et soient disponibles sur le marché, la voie vers un déploiement à grande échelle est pavée d'innovations constantes. L'avenir est façonné par des améliorations progressives des systèmes existants et par la recherche de percées dans les technologies de la prochaine génération. Le paysage de la recherche est dynamique, avec des efforts axés sur le développement de sels fondus de nouvelle génération pouvant fonctionner à des températures plus élevées pour une plus grande efficacité, la création de matériaux à changement de phase nanométriques avec une stabilité et un transfert de chaleur supérieurs, et la conception de réacteurs thermochimiques avancés pour libérer le potentiel du stockage de longue durée.

Ces progrès technologiques se traduisent par des perspectives de marché solides. Le marché mondial du stockage de l'énergie thermique devrait connaître une croissance substantielle, avec un taux de croissance annuel composé de plus de 10 % jusqu'à la fin de la décennie. Cette croissance est due au déploiement croissant des énergies renouvelables, à la volonté de décarboniser la chaleur industrielle et aux politiques gouvernementales favorables.

En conclusion, la transition vers une économie d'énergie propre exige une réorganisation fondamentale de nos systèmes énergétiques pour les rendre plus flexibles et plus fiables. Le stockage de l'énergie thermique n'est pas simplement une option dans cette transition ; il s'agit d'une technologie indispensable et polyvalente, prête à jouer un rôle central et croissant dans la construction de l'avenir énergétique propre, fiable et prospère que nous envisageons tous.