Le défi du stockage thermique pour la chaleur solaire industrielle

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Le soleil est une source d'énergie à faible densité et à intensité variable selon les conditions météorologiques. Il est donc primordial de développer des techniques permettant de pallier cette discontinuité de la ressource. Pour le cas de la chaleur solaire des procédés industriels produite à partir de panneaux de concentration solaire paraboliques, la forme de stockage énergétique privilégié est le stockage d'énergie sous forme thermique.

La concentration solaire parabolique, meilleure option pour la chaleur solaire industrielle

Développée au début des années 80 pour produire de l'électricité à grande échelle (notamment avec les projets SEGS en Californie), on sait aujourd'hui que c'est surtout pour la production de chaleur locale en milieu industriel que la concentration solaire parabolique offre le plus d'avantages, étant donné son rendement thermique élevé.

L'industrie utilise traditionnellement des combustibles fossiles pour produire de la chaleur et  l'utilisation de ces derniers est de plus en plus règlementée. La concentration solaire parabolique devient donc une option de plus en plus intéressante, surtout avec les programmes de subventions gouvernementales et les incitatifs économiques mis en place depuis quelques années pour changer nos modes de production d'énergie et limiter les changements climatiques. Mais la technologie doit surmonter l'enjeu du stockage de l'énergie avant de devenir vraiment incontournable en milieu industriel.

L'enjeu du stockage thermique

Pour qu'un système de champ solaire parabolique puisse fournir un pic de chaleur en fin de journée, la nuit ou tôt le matin, une technologie de stockage de l'énergie thermique devient un élément crucial, afin de restituer cette chaleur en dehors des heures d'ensoleillement.

Les différentes technologies développées 

Les technologies de concentration solaire utilisent généralement de l'huile synthétique comme fluide caloporteur pour des températures d'opération inférieures à 350 degrés Celsius. L'huile est donc utilisée pour transporter la chaleur issue des rayons solaires concentrés. L'huile permet ainsi de produire un circuit non pressurisé contrairement à l'utilisation d'autres produits caloporteurs.

Les réservoirs d'huile

Une des premières technologies de stockage consistait à accumuler cette huile chaude dans une cuve isolée, avec une autre cuve destinée à l'huile froide et de puiser à même  l'huile chaude, qui devenait ainsi un réservoir de chaleur. Une autre technique consistait à utiliser une cuve d'huile thermocline, l'huile chaude s'accumulant en haut de la cuve, la froide en bas. On pouvait alors pomper l'huile chaude du dessus de la cuve, au besoin.

Cependant, ces deux types de stockage requièrent beaucoup d'huile et celle-ci est très dispendieuse. De plus, une telle quantité d'huile peut poser des problèmes environnementaux en cas de fuites accidentelles.Les lits de stockage développés par la suite présentent l'avantage de diminuer considérablement les besoins en huile dans un système de stockage thermique. 

Les lits de stockage thermique

Pour des températures de stockage inférieures à 350 degrés Celsius, comme dans le cas d'un circuit caloporteur utilisant de l'huile synthétique, le lit de stockage thermique est une solution très efficace.

Il s'agit en fait de faire circuler l'huile dans un lit de matériau dense et isolé de manière adéquate. Le matériau choisi pour sa densité accumule alors la chaleur dans sa masse et peut la restituer plus tard. On peut utiliser de la brique, des billes d'acier ou de verre et faire circuler le circuit d'huile à travers ce matériau pour le charger thermiquement. Ce lit de matériau est ensuite isolé pour limiter les pertes thermiques, mais généralement ces pertes sont minimes, soit de l'ordre de 1 à 3% quotidiennement.

Mais pour cette technique de stockage en lit compacté, le matériau choisi va être un paramètre critique pour l'efficacité du système. Le matériau le plus simple et le moins coûteux à utiliser est la pierre ou la brique, mais on peut aussi utiliser des billes de métaux ou de verre qui offre des capacités de stockage thermiques plus importantes. On peut aussi utiliser des matériaux à changement de phase pour stocker de l'énergie, comme la paraffine, mais les applications en milieu industriel de ces matériaux à changement de phase ne semblent pas encore avoir été très concluantes.

Les systèmes pressurisés et le stockage thermique à très haute température

On peut également produire de la vapeur à partir de certains systèmes utilisant la concentration de l'énergie solaire, la vapeur devenant le fluide caloporteur. Dans ce cas, le système est sous pression et le stockage de l'énergie thermique représente un plus grand danger et peut être beaucoup plus complexe à mettre en place.

De même, pour les systèmes de concentration d'énergie solaire à plus grande échelle et qui produisent de très hautes températures (supérieures à 400 degrés Celsius), les fluides caloporteurs utilisés sont souvent des sels liquides tels que les composés sodium/potassium. À ce moment, le stockage de l'énergie devient plus complexe et coûteux, car les températures sont très élevées et les systèmes de stockages sont beaucoup plus complexes et sophistiqués.  

Les défis technologiques liés aux lits de stockage thermiques

Pour des températures inférieures à 350 °C le lit de stockage thermique semble donc être le système de stockage le plus adéquat et efficace pour les systèmes de production de chaleur solaire industrielle, mais plusieurs défis se présentent pour cette technologie. 

Problématique du temps de charge-décharge 

Dans un système de stockage de chaleur, l'un des problèmes potentiels est la vitesse de charge et de décharge thermique, c'est-à-dire le temps que le système peut emmagasiner puis remettre cette chaleur accumulée en circulation dans le système quand le besoin est présent. Actuellement, il y a peu de solutions pour améliorer la vitesse de ce temps de charge-décharge qui dépend grandement des propriétés physiques des matériaux utilisés.

Mais ce problème est surtout présent pour des besoins très spécifiques de clients, qui veulent utiliser la chaleur du système de stockage dans des heures très spécifiques et précises. Pour des besoins de stockage en vue d'utiliser le système en continu sur de longues périodes (comme de pouvoir avoir accès à de la chaleur la nuit), le temps de charge-décharge ne pose pas de problèmes au niveau industriel. 

Problème de la gestion automatique en système transitoire  

Dans un système automatisé de stockage d'énergie, le problème de la prise de décision de stocker ou non l'énergie peut devenir très complexe. Dans un système combinant un champ solaire de panneaux paraboliques, une unité de stockage thermique et le procédé industriel, plusieurs valves peuvent ou non s'actionner, en fonction des données du système. En mode jour et dans des conditions optimales solaires, le champ solaire fourni de la chaleur au procédé et une partie de la chaleur au système de stockage, via la valve du système de stockage qui s'ouvre partiellement.

En mode nuit la valve du champ solaire se ferme, et la valve du système de stockage s'ouvre pour prendre le relais et continuer de fournir de la chaleur au procédé industriel.

Mais en système transitoire, c'est-à-dire une journée avec intermittence pluie-soleil par exemple, ces choix d'ouverture automatique des valves deviennent plus complexes. Si les choix se référent uniquement à la station météorologique locale du système, le système peut perdre beaucoup d'efficacité, car dans ce cas il manque de capacités prédictives. Par exemple, si un orage de plusieurs heures est prévu en fin de journée, il faudrait pouvoir prévoir et emmagasiner plus rapidement et plus tôt l'énergie dans le module de stockage que dans une journée normale.

De plus en plus, les technologies industrielles solaires se tournent donc vers des applications à intelligence artificielle afin de faciliter la prise de décision prédictive dans de telles conditions et d'apprendre des expériences passées.

Pour en savoir plus: http://www.greenpowerlabs.com/smart-grid/

En résumé, le stockage d'énergie pour la chaleur solaire des procédés a déjà beaucoup évolué et peut déjà s'appliquer dans un contexte industriel avec une installation comprenant des capteurs solaires paraboliques. Avec des besoins de températures industrielles inférieures à 350 °C, le stockage thermique en lit de matériaux semble à l'heure actuelle la meilleure solution pour ce type de technologie. Mais de nombreuses voies d'amélioration sont encore à travailler tant au niveau des matériaux choisis que de la gestion automatique des temps de charge d'un tel système de stockage. 

Pour plus d'information :

Christian Dubuc directeur technique chez Rackam 

Références :

https://www.osti.gov/accomplishments/documents/fullText/ACC0196.pdf

Experimental results and modeling of energy storage and recovery in a packed bed of alumna particles. Anderson et al, Applied Energy (2014) 521-529.

Experimental and numerical investigation of a pilot-scale thermal oil packed bed thermal storage system for CSP power plant. Bruch et al, Solar Energy 105 (2014) 116-125 

State of the art on high-temperature thermal energy storage for power generation, part 2- case studies. Medrano et al. Renewable and sustainable Energy reviews 14 (2010) 56-72