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Produire et stocker de la chaleur propre : l'autre enjeu énergétique majeur

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Edito : Produire et stocker de la chaleur propre : l'autre enjeu énergétique majeur

Vendredi, 18/06/2021 - 00:00 0 commentaire
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On le sait, pour respecter la trajectoire des Accords de Paris, visant à de limiter à 2°C le réchauffement climatique en cours, il va falloir réduire de moitié les émissions humaines de CO2 d’ici 2050 (et redescendre à 20 Gigatonnes par an, ce qui correspond à ce que la planète peut absorber dans les océans, les sols et la végétation). Parallèlement, la consommation mondiale d'énergie finale, actuellement de l’ordre de 13,5 Gteps, devrait diminuer, selon le GIEC, de 20 % d’ici 2040, pour tomber, en dépit de l’augmentation de la population mondiale, à 10,7 Gteps en 2040 selon l'AIE. Mais, disons le tout de suite, cette hypothèse est de moins en moins probable, car, s’il est vrai que l’économie mondiale ne cesse de progresser en termes d’efficacité énergétique, une telle diminution semble hors d’atteinte quand on sait que le monde comptera au moins deux milliards d’habitants en plus au milieu de ce siècle, soit l’équivalent de la population actuelle de la Chine, de l’Europe et du Japon réunis…

Il faut donc plutôt s’attendre à une augmentation d’un tiers de la consommation mondiale d’énergie d’ici 2040 et de 50 % d’ici 2050. Dans le mix énergétique mondial, l’électricité, qui représentait seulement 10 % de la consommation mondiale d’énergie il y a cinquante ans, en représente aujourd’hui plus de 20 % et en représentera plus du tiers en 2050, soit environ 36 000TWh par an (contre 25 000 TWH en 2020).Si, aujourd’hui, un quart seulement de l’électricité mondiale est issue d’énergies décarbonées, cette part devait monter à 50 % dans vingt ans et à 80 % en 2050, si nous voulons limiter le réchauffement global de la planète à deux degrés, et éviter d’aller vers une situation incontrôlable et catastrophique.

Quant aux énergies renouvelables (solaire, éolien biomasse et énergies marines), il va falloir multiplier par dix leur production d’ici trente ans, si l’on veut qu’elles représentent plus de 80 % de la consommation finale d’énergie de la planète en 2050 (qui pourrait atteindre les 18 Gteps), objectif nécessaire pour décarboner suffisamment rapidement l’économie mondiale (à un rythme moyen annuel qui doit atteindre au moins 6 %).

Reste que, comme je l'ai souvent souligné dans RT Flash, il ne suffit pas de produire massivement de l’énergie propre pour surmonter le défi climatique immense qui est devant nous. Il faut également mettre en œuvre les capacités gigantesques de stockage de l’énergie, afin de pouvoir relever un autre défi technologique majeur qui consiste à réguler et à gérer (en adaptant en permanence l’offre à la demande) des réseaux de distribution d’énergie qui seront soumis à de fortes fluctuations de production, inhérentes aux énergies renouvelables issues principalement du soleil et du vent.

Dans ce contexte, les outils et moyens de stockage massif de l’énergie sont évidemment appelés à connaître un développement considérable, et j'ai également souvent développé cette question-clé. Rappelons toutefois que le marché du stockage devrait être multiplié par six, pour atteindre 58 milliards de dollars en 2040, selon une étude de la banque Merrill Lynch. Ce rapport estime également qu’à cet horizon, ce ne sont pas moins de 6 % de la production électrique mondiale qui devront être stockés dans les stations de pompage (STEP) et les différents types de batteries, soit une capacité de 1.000 gigawatts. Heureusement, selon BloombergNEF, le prix moyen des grosses batteries de stockage devrait encore diminuer de moitié, et tomber à 150 euros du kWh, mais l’énorme augmentation des besoins en nouvelles capacités de stockage électrique devait tout de même nécessiter plus de 600 milliards d’euros, au cours de ces vingt prochaines années.

Pour accélérer la mutation énergétique mondiale en cours, la communauté scientifique souligne que le stockage massif de l’électricité, bien que nécessaire, ne sera pas suffisant. Elle propose de développer également de manière considérable, en utilisant les dernières avancées techniques, le stockage écologique de la chaleur produite par l’ensemble des activités humaines, soit pour réutiliser celle-ci plus tard, soit pour retransformer cette chaleur, conservée sous différentes formes, en électricité. Tel est notamment l’objet des projets européens AMADEUS et NATHALIE, qui visent à développer une technologie de stockage innovante, qui consiste à stocker, à un coût bien inférieur à celui des batteries les plus performantes, l’énergie sous forme de chaleur.

Ces recherches visent à stocker l’énergie sous forme de chaleur latente à des températures extrêmes, supérieures à 1 000°C. Cette chaleur est ensuite, si besoin, convertie en courant électrique, grâce à des convertisseurs statiques qui transforment directement en électricité, les photons et électrons issus du rayonnement thermique. Cette technologie peut se décliner en une multitude d’applications, tant dans l’industrie que dans les besoins en énergie des bâtiments et logements. Les deux principaux avantages de ce système thermochimique sont le faible coût et la haute densité d’énergie. Les alliages de silicium utilisés pour stocker l’énergie ont un coût inférieur à 2 €/kg et sont capables de stocker 1 kWh par litre de matériau en fusion. Autre avantage : la très haute densité d’énergie des alliages au silicium permet de concevoir des systèmes de stockage massif d'énergie bien plus compact, un atout décisif en milieu urbain. Le coût par capacité énergétique est de l’ordre de 20 €/kWh, soit dix à quinze fois moins que celui du stockage par batterie électrochimique. Ce projet a confirmé la faisabilité d’un nouveau type de convertisseur d’énergie combinant thermoïonique et thermophotovoltaïque, pouvant fonctionner à des températures extrêmes avec une densité de puissance et une efficacité énergétique sans précédent.

En outre, la chaleur résiduelle, qui n’est pas convertie en électricité, n’est pas perdue et peut être utilisée pour la fourniture d'eau chaude ou pour alimenter un système de refroidissement. Or, quand on sait que la chaleur représente plus de la moitié de la consommation énergétique de l’Union européenne, on mesure mieux l’intérêt de ce type de système pour réduire plus rapidement notre consommation d’énergies fossiles.

Dans le cadre de ces projets européens, l’entreprise française Sirea participe au développement d’un nouveau système de centrale solaire thermodynamique (CSP) qui vise à produire de l’électricité à moins de 0,10 €/kWh. Cette technologie solaire thermodynamique (ou à concentration) repose sur l’utilisation d’une grande quantité de miroirs pour focaliser les rayons solaires vers des tubes dans lesquels circule un fluide caloporteur, généralement de l’huile ou un sel fondu. Ce fluide est ainsi chauffé à des températures de l’ordre de 250 à 1 000°C et peut, après avoir échangé sa chaleur avec un fluide secondaire (généralement de la vapeur), produire de l’électricité dans des turbines qui entraînent des alternateurs.

En collaboration avec l’entreprise espagnole Tekniker, Sirea vient de terminer la construction d’un prototype de centrale thermodynamique de 300 kWh. Cette installation se compose d’un concentrateur sphérique fixe, couplé à un récepteur mobile avec un système d’entraînement en boucle fermée. Cette configuration permet de réduire le nombre de pièces mobiles, tout en assurant des niveaux élevés de concentration solaire et de températures. L’énergie solaire est récupérée, concentrée et transférée au fluide caloporteur (HTF) au niveau du module. Grâce à la nouvelle conception modulaire de cette centrale, les distances entre le concentrateur solaire et le récepteur sont beaucoup plus courtes qu’avec les technologies de tour solaire classique, ce qui permet, in fine, de ramener à seulement 0,10 € le coût de production du kWh pour les centrales CSP de 100 MW de puissance nominale, construites sur le concept MOSAIC, et à moins de 2 centimes le kWh qui sera produit par ses futures centrales CSP d’un Gigawatt.

Mais, on l’oublie souvent, la décarbonisation de l’économie et le défi climatique sont étroitement liés à la réduction drastique de la consommation d’énergie à la source de l’ensemble du secteur du Bâtiment (qu’il s’agisse des logements, bureaux, commerces ou entrepôts), qui représente 40 % de la consommation mondiale d’énergie et 30 % des émissions de gaz à effet de serre. Parmi les nombreux exemples d’innovation qui montrent que des bâtiments complètement autosuffisants en énergie sont réalisables, il faut évoquer, chez nos voisins allemands, la nouvelle Mairie de Fribourg-en-Brisgau, en Bade-Wurtemberg. Inauguré fin 2017, ce vaste hôtel de ville (Rathaus im Stühlinger), représente 22 650 m² de surface utile et abrite des bureaux et un centre d’accueil des administrés de Fribourg.

Avec ses 840 employés, Il s’agit du plus grand bâtiment d’Europe neutre en énergie. Grâce à son isolation active et à une utilisation judicieuse de ses façades et de sa toiture pour produire de l’énergie, ce bâtiment exemplaire ne consomme que 45 kWhEP/m².an seulement pour le chauffage, le rafraîchissement, l’ECS, la ventilation et l’éclairage, soit 60 % de moins que la moyenne des bâtiments allemands de bureaux. La production de chaleur et le rafraîchissement sont assurés de trois manières complémentaires : par des dalles actives - circulation d’eau à basse température dans les dalles de béton entre niveaux -, par des plafonds rayonnants dans les bureaux et les salles pouvant recevoir un public nombreux : cafétéria, salles de réunion, … et par le système de ventilation double flux à récupération de chaleur et de froid. Les besoins de chaleur sont par ailleurs couverts par deux pompes à chaleur géothermiques eau/eau qui alimentent les dalles actives, les batteries, et les plafonds rayonnants.

La production de froid est assurée par un échange direct entre les sondes enterrées et le réseau de distribution d’eau dans le bâtiment. Les deux pompes à chaleur installées sont réversibles et peuvent, si besoin, rafraichir le bâtiment. La production d’eau chaude sanitaire est assurée par des panneaux solaires hybrides – thermiques et photovoltaïques, complétés par une chaudière gaz. Une étude du Fraunhofer Institut ISE a confirmé que ce bâtiment-pilote avait dépassé ses objectifs de sobriété énergétique grâce à une production d’électricité de 47 kWh/m².an en moyenne, pour une consommation effective de 45 kWh/m².an. Fait remarquable, ce bâtiment produit chaque année plus d’énergie primaire qu’il n’en consomme, et non-seulement n’émet pas de carbone, mais il en absorbe 10 tonnes par an...

En Suisse, plus de la moitié des nouvelles habitations sont équipées de pompes à chaleur. Ces dispositifs transforment la chaleur présente dans l’environnement, le sol, l’air, l’eau d’un lac ou d’une rivière en énergie pour chauffer les habitations. Performantes et écologiques, les pompes à chaleur (PAC) ne cessent de bénéficier d’améliorations techniques qui les rendent toujours plus performantes. En remplaçant leurs compresseurs volumétriques par des micro-turbocompresseurs dix fois plus petits et plus performants, des chercheurs de l’EPFL (Ecole Fédérale Polytechnique de Lausanne) ont ainsi pu réduire d’un quart leur consommation en électricité. Leur recherche a été récompensée lors de la conférence ASME Turbo Expo 2019 aux Etats-Unis. Pour atteindre de telles performances, ces scientifiques ont renoncé aux traditionnels compresseurs volumétriques, générateurs de frottements, qui compriment le fluide réfrigérant pour entraîner le cycle d’une pompe à chaleur. Ils ont remplacé ces éléments par des micro-turbocompresseurs bien plus efficaces, tournant à plusieurs centaines de milliers de tours par minute sur des paliers à gaz.

En France, la jeune société Accenta teste depuis plus d'un an une chaudière « bas carbone » intelligente. Le système stocke de la chaleur restituée par les climatiseurs en été pour la restituer en hiver, ce qui permet de réduire l'empreinte carbone et la facture énergétique. Comme le souligne Pierre Trémolières, dirigeant de cette entreprise, « Les batteries lithium-ion sont lourdes à construire, à transporter et à recycler… D'où l'idée d'activer deux leviers pour réellement décarboner les bâtiments : d'abord grâce à leur conception, en les construisant à l'aide de matériaux biosourcés, puis ensuite lors de leur exploitation en préférant des énergies décarbonées, mais intermittentes. Et c'est alors le stockage qui permet de maximiser leur utilisation ».

Si cette chaudière innovante permet de stocker de l'énergie thermique sur de longues périodes, et à faible coût, c’est parce qu’elle exploite une technique prometteuse, le « Stockage d’énergie thermique par forage » (BTES) qui utilise le sol comme réservoir, dans d’excellentes conditions thermodynamiques en été et à un coût de moins d’un centime d'euro par kWh thermique. Cet ingénieux système permet de récupérer pour presque rien, via un échangeur thermique, une bonne partie des calories provenant des climatiseurs en été, qui sont récupérées par un échangeur thermique. Mais cette chaleur exploitable et réutilisable peut également provenir de panneaux solaires, thermiques ou photovoltaïques. Le système est si efficace qu’un seul kilowattheure de photovoltaïque permettrait de récupérer 6 kWh d'énergie thermique.

Les bâtiments équipés d’un tel système peuvent d'utiliser leur excédents d'électricité pour faire alimenter une pompe à chaleur à faible coût thermodynamique et injecter la chaleur dans le terrain. Cette chaleur pourra être récupérée plus tard (la nuit ou en hiver) pour chauffer le bâtiment en limitant drastiquement la consommation nette d’énergie et les émissions de CO2. Ce système intelligent de chauffage-climatisation est en outre piloté par un logiciel informatique sophistiqué qui prévoit et estime les besoins du bâtiment en énergie et ajuste en conséquence le stockage de façon optimisée. Déjà opérationnelle dans plusieurs installations, cette chaudière bas carbone intelligente a permis une réduction de 90 % de l'empreinte carbone et de 50 % des consommations énergétiques sur les fonctions thermiques, ce qui est tout à fait remarquable. Cette chaudière bas carbone, en dépit de son coût d’installation supérieur à celui d'une chaudière gaz basique, peut être amortie en moins de cinq ans.

Mais la chaleur récupérable se cache parfois là où on ne s’attend pas à la trouver. C’est notamment le cas des égouts, dans lesquels de grandes quantités d’eau chaude sont évacuées. Depuis l’année dernière, le grand Bruxelles a décidé de récupérer une partie de cette source importante de chaleur pour chauffer ses bâtiments. Après dix ans de recherche, la société Vivaqua, qui gère la distribution de l’eau, à commencé à équiper certains tronçons d’égouts de systèmes de récupération de chaleur, utilisant des échangeurs et des pompes à chaleur réversibles. Dans huit ans, lorsque la première tranche de 50 km d’égouts sera équipée, il sera ainsi possible de réduire d’un quart la facture énergétique des bâtiments connectés à ce réseau de chaleur et le coût de ces investissements sera amorti en moins de vingt ans, une durée tout à fait acceptable pour une grosse collectivité comme Bruxelles, surtout si l’on tient également compte des 65 000 tonnes de CO2 par an qui seront, à terme, économisées.

Fin 2020, des chercheurs de l’Université de Lancaster ont découvert les surprenantes propriétés d’un matériau cristallin qui peut stocker efficacement, et pendant de longs mois, l’énergie du Soleil. Ce matériau appartient à la catégorie des « Metal–Oorganic Framework » (MOF, ou « cadre organométallique). Sa structure poreuse est constituée d’un réseau d’ions métalliques liés par des molécules à base de carbone pour former des structures 3D. Ces scientifiques ont réussi à remplir ce matériau de molécules d’azobenzène, un composé qui absorbe fortement la lumière. Ils ont ensuite exposé ce matériau modifié à la lumière UV, ce qui a entraîné un changement de forme des molécules d’azobenzène, qui ont adopté une configuration tendue à l’intérieur des pores du MOF. C’est ce processus tout à fait particulier qui permet de stocker l’énergie solaire à température ambiante, pendant de longues périodes, un peu comme le ferait un ressort. Pour libérer cette chaleur emprisonnée chimiquement, il suffit d’un apport de chaleur externe, qui va agir comme un déclencheur et provoquer un brusque changement d’état de ce matériau, qui va alors restituer toute sa chaleur emmagasinée. Selon ces chercheurs, leur matériau, qui pourrait être intégré dans des films facilement utilisables, peut stocker de la chaleur pendant au moins quatre mois, ce qui ouvre de grandes perspectives pour l’équilibrage thermique des bâtiments ou des véhicules.

Dernier exemple d’innovation en matière thermique, celle développée par des chercheurs du MIT pour améliorer l'efficacité des centrales à concentration solaire. Dans ce type de centrale solaire, la chaleur produite par les rayons solaires atteint les 600°C, ce qui est trop faible pour produire et stocker suffisamment d'électricité. Pour surmonter cet écueil, les chercheurs ont eu l’idée d’avoir recours à une lumière artificielle pour restituer la chaleur sous forme d'électricité. Cette lumière très intense provient de sels en fusion au-delà de 2.000°C. Elle peut être convertie en électricité grâce à des cellules solaires photovoltaïques multijonctions (MPV). Pour surmonter les problèmes redoutables de corrosion des cuves, provoqués par les sels fondus à haute température, ces chercheurs ont conçu un système baptisé TEGS-MPV (Thermal Energy Grid Storage-Multi-Junction Photovoltaics) composé de deux grands réservoirs en graphite reliés par une série de tubes servant d'échangeurs de chaleur. Dans ce dispositif, les sels fondus sont remplacés par du silicium. Le silicium fondu du réservoir « froid » (1 900 °C) est chauffé par une résistance pour se reverser dans le réservoir chaud (2 300 °C). Il émet alors une très forte luminosité et produit de l’électricité, via les cellules MPV, avant d’être réinjecté vers le réservoir froid. Mais ce processus est réversible et le silicium en fusion passe alors à travers une rangée d'autres tubes équipés de cellules MPV qui produisent de l'électricité. Refroidi par son parcours dans les tubes, le silicium est réinjecté dans le premier réservoir.

En passant du réservoir froid vers le réservoir chaud ou vice-versa, le silicium fondu peut donc, à la demande, fournir de l’électricité ou stocker de l’énergie sous forme de chaleur. Selon les chercheurs, une cuve de 10 mètres de diamètre associée à des éoliennes, ou du solaire, suffirait à assurer l’autonomie électrique de 100.000 foyers, l'équivalent d'une ville comme Annecy. Mais surtout, l'électricité ainsi stockée revient deux fois moins chère qu'une station de pompage hydroélectrique (STEP), pourtant considérée comme le moyen le moins coûteux de stockage massif d’électricité.

Ces récentes avancées scientifiques et techniques montrent que la problématique du stockage écologique, et à faible coût, de la chaleur, sera centrale pour réussir la transition énergétique mondiale en cours, qui doit nous conduire à sortir définitivement des énergies fossiles et à aller vers une économie décarbonée. Cela est d’autant plus vrai que la montée en puissance de l’hydrogène comme vecteur énergétique va permettre une généralisation des systèmes de cogénération, produisant simultanément chaleur et électricité. Dans cette perspective, il est donc capital, notamment pour assurer l'équilibre et la régulation des réseaux de distribution d'énergie, de pouvoir stocker massivement la chaleur pendant de longues périodes, et de pouvoir transformer à la demande, avec une efficacité suffisante, cette chaleur en électricité.

Une fois encore, on voit que les innovations de rupture dans ce domaine se font grâce à des approches transdisciplinaires, qui associent physique, chimie, optique, informatique et science des matériaux, et nécessitent une coopération étroite entre recherche fondamentale et industrielle. Cet enjeu thermique est considérable car il contribuera de manière décisive, pour un monde qui comptera demain dix milliards d’habitants, à  satisfaire les immenses et légitimes besoins en énergie de l’humanité, tout en réduisant suffisamment nos émissions de CO2 pour conserver des conditions de vie supportables pour tous les Humains et préserver notre précieuse planète…

René TRÉGOUËT

Sénateur honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

e-mail : tregouet@gmail.com

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