La première batterie à sable du monde stocke le surplus d’énergies renouvelables sous forme de chaleur

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La transition énergétique est une direction obligatoire face à la crise climatique. Les énergies fossiles doivent être remplacées par des énergies vertes et renouvelables, telles que l’éolien, le solaire ou l’hydraulique. Malheureusement, les systèmes actuels ne permettent pas de stocker l’énergie produite en surplus de façon optimale/rentable. Récemment, deux sociétés finlandaises, Vatajankoski et Polar Night Energy, ont construit et commencé l’exploitation d’une installation de stockage d’énergie où l’électricité récupérée est convertie et conservée sous forme de chaleur dans du sable. La batterie, qui a une puissance de chauffage de 100 kilowatts (kW) et une capacité de stockage de 8 mégawattheures (MWh), fournira de la chaleur au réseau de chauffage urbain de Kankaanpää. Cette première mondiale pourrait faire des émules à travers le monde, et accélérer la transition vers les énergies renouvelables avec plus d’efficacité.

Actuellement, une grande partie de l’énergie thermique mondiale est produite via des combustibles fossiles ou du bois. L’électrification du chauffage est l’un des facteurs clés pour atteindre les objectifs climatiques, selon les modèles faible-carbone élaborés comme base à la stratégie climat-énergie.

Même si elle est plébiscitée, la production issue d’énergies renouvelables telles que l’éolien et le solaire est très volatile et ne répond que partiellement à la consommation dans le temps. En d’autres termes, la production est souvent en décalage avec la demande, car intermittente (manque de soleil ou de vent). Ainsi, l’énergie non consommée est tout simplement perdue. Comme ces sources d’électricité volatiles augmentent rapidement dans les sociétés, de plus en plus de systèmes de stockage d’énergie sont nécessaires. Grâce au stockage de chaleur, il est possible de combiner les secteurs du chauffage et de l’électricité.

C’est pourquoi, en Finlande, Vatajankoski — une nouvelle société d’énergie — et Polar Night Energy mettent en œuvre le stockage thermique des énergies renouvelables. Les deux sociétés ont conclu un accord pour la construction et l’exploitation d’un stockage thermique basé sur la technologie brevetée de Polar Night Energy. Cette technologie offre un moyen de « raffiner » l’électricité excédentaire issue d’énergies renouvelables en de la chaleur utilisable à la demande.

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Les avantages du sable : stocker de grandes quantités de chaleur dans un petit volume

De manière concrète, le premier stockage commercial de chaleur à haute température à base de sable de Polar Night Energy est maintenant en service dans la zone de la centrale électrique de Vatajankoski. Le système de stockage de chaleur, qui contient une centaine de tonnes de sable, permet un chauffage urbain à faibles émissions pour la petite ville de Kankaanpää, dans l’ouest de la Finlande.

Le système de stockage de chaleur consiste en un réservoir en acier d’environ quatre mètres de large et sept mètres de haut, à l’intérieur duquel est installé le système de transfert de chaleur automatique breveté de Polar Night Energy.

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Un « réservoir de chaleur » de Polar Night Energy. © Polar Night Energy

Cette technologie convertit donc l’électricité en chaleur et la stocke pour une utilisation ultérieure. Le sable comme support de stockage conduit à un fonctionnement sûr ainsi qu’à un équilibre naturel dans le cycle de stockage. De plus, le sable est un matériau « bon marché » et abondant, qui peut être chauffé à plus de 1000 °C. Il permet de stocker beaucoup de chaleur dans un petit volume. Polar Night Energy affirme que les coûts d’installation sont inférieurs à 10 € par kWh, et le fonctionnement est entièrement automatisé. Une bonne isolation entre le stockage et l’environnement assure une longue période de stockage, jusqu’à plusieurs mois, avec des pertes de chaleur minimales.

Le système de stockage de chaleur a une puissance de chauffage de 100 kW pour une capacité énergétique de 8 MWh. Markku Ylönen, directeur technique de Polar Night Energy, explique dans un communiqué : « L’objectif de Polar Night Energy est de fournir de la chaleur aux personnes de manière efficace et avec la plus faible empreinte carbone possible. Le stockage de chaleur est un grand pas vers un chauffage urbain neutre en carbone. Les technologies de stockage thermique à base de sable que nous avons développées peuvent être utilisées dans n’importe quelle zone du réseau électrique. Le sable est un matériau durable et peu coûteux, et il peut stocker beaucoup de chaleur dans un petit volume à une température d’environ 500-600 degrés Celsius ».

L’un des points essentiels est que les accumulateurs de chaleur Polar Night Energy peuvent être connectés à la plupart des systèmes de transfert de chaleur et sont compatibles avec les pompes à chaleur. Le système peut produire de l’eau chaude, ou de l’air chaud et de la vapeur de procédé pour un usage industriel. Il est possible de créer des installations de stockage souterrain à partir de puits de mines désaffectés, s’ils sont en bon état. Aucun réservoir à haute pression n’est nécessaire. Enfin, la taille des entrepôts peut varier de quelques dizaines à plusieurs milliers de mètres cubes de sable.

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Infographie des données chiffrées concernant les batteries à sable. © Polar Night Energy

Ylönen souligne : « Cette innovation s’inscrit dans la transition énergétique intelligente et verte. Les systèmes de stockage de chaleur peuvent contribuer de manière significative à augmenter les énergies renouvelables intermittentes dans le réseau électrique. En même temps, nous pouvons amorcer la chaleur résiduelle à un niveau utilisable pour chauffer une ville ». En effet, Vatajankowski utilise cette chaleur stockée en conjonction avec la chaleur excédentaire de ses propres serveurs de données.

Selon le rapport de Mission Innovation, les batteries de stockage de chaleur saisonnières à haute température à base de sable de Polar Night Energy pourraient permettre d’économiser plus de 100 mégatonnes d’équivalent CO2 par an en 2030. Le montant serait d’environ 3% des émissions actuelles de l’Union européenne.

Le chauffage urbain en Finlande, un modèle à suivre

Véritable chauffage collectif à l’échelle d’une ville ou d’un quartier, le réseau de chaleur urbain alimente tous types de bâtiments : logements, bureaux, écoles, musées, bâtiments communaux ou à usage industriel. Il est composé de 4 éléments : des unités de production de chaleur, un réseau de canalisations qui achemine de la vapeur ou de l’eau chaude vers des postes d’échange et un second réseau de canalisations qui reconduit l’eau refroidie vers les unités de production.

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Il faut savoir que le chauffage et la production d’eau chaude sanitaire sont à l’origine de 82% des émissions liées à l’énergie dans les foyers finlandais. Jusqu’à présent, les panneaux solaires, l’énergie éolienne et l’énergie hydraulique ont été principalement fabriqués pour réduire les émissions de la production d’électricité, qui représentent environ 18% des émissions totales.

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En France, selon les enquêtes annuelles du Syndicat National du Chauffage Urbain (SNCU), depuis 2005, le contenu moyen en CO2 des réseaux décroît pour atteindre 0,107 kg CO2/kWh en 2019. Les réseaux de chaleur desservent actuellement environ 2,4 millions de bâtiments — soit 25,6 térawattheures (TWh) de chaleur livrés en 2020 —, majoritairement dans des zones urbaines denses. Cela représente une très faible part (soit 3,7%) des 671 TWh issus de la chaleur produits en 2020.

Sans compter que ce mode de chauffage est à plus de 60% produit à partir d’énergies renouvelables, contre 23% pour l’ensemble. Il reste encore un grand pas à faire pour atteindre l’objectif, qui est de tripler la part des énergies renouvelables dans la production de chaleur (biomasse, géothermie, traitement des déchets) d’ici 2030. De plus, il représente une grande partie du marché aux États-Unis et en Chine. Néanmoins, la Finlande et son système de stockage pourraient faire évoluer les mentalités et accélérer la transition énergétique à travers le monde. Selon Polar Night Energy, avec une production électrique brute projetée de 4390 TWh d’origine solaire et éolienne d’ici 2030, les technologies de stockage permettront de remplacer 737 TWh d’énergie fossile.

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