Avenir prometteur du solaire thermique associé au stockage thermochimique

A l'heure actuelle près de 50% de l'énergie totale consommée en Europe est utilisée pour la production de chaleur à des fins domestiques et industrielles, qui compte pour 86% de l'énergie finale de l‘habitat, 76% du commerce, des services et de l‘agriculture et 55% de l‘industrie. La grande majorité de cette énergie est produite par la combustion d'énergies fossiles qui pourraient être nettement mieux valorisées et utilisées que sous forme de combustion, comme le pétrole, le gaz et le charbon et qui ont un impact nuisible sur l'environnement avec entre autres la production de gaz à effet de serre. 

La demande de climatisation des immeubles est par ailleurs amenée à croître de 60% d'ici à 2020. Le refroidissement est, à quelques exceptions près, obtenu à partir d'électricité, qui est toujours aussi majoritairement de sources fossiles.

Le solaire thermique dispose d'un potentiel de contribution énergétique significatif pour la production de chaleur avec un objectif de 11% d'ici 2030 et 37% à horizon 2050 en Europe.

Le solaire thermique a un excellent rendement et trouve, à un coût rapidement amorti et sous de multiples formes (panneaux, sphères, cylindres etc.) de nombreuses applications dans l'habitat, l'industrie etc. tant pour le chauffage, que la climatisation, la diffusion d'air chaud, la ventilation, le couplage à des pompes à chaleurs afin d'en améliorer le cop etc. Il peut en outre être associé à du solaire photovoltaïque (capteurs PV-T) pour en améliorer les performances en abaissant la température, dont le rendement devrait encore doubler d'ici quelques années et dont les prix sont attendus en baisse de plus de 40% encore après une chute de 70% au cours des 3 dernières années. Sans évoquer le solaire organique dont les rendements sont un peu moindres mais les prix sensiblement inférieurs.

Un facteur important de développement du solaire thermique devrait être le stockage thermochimique.

Le stockage par ballon d'eau (chaleur sensible) est efficace dans la production d'eau chaude sanitaire (ECS) ou de chauffage mais ne permet de maintenir la température que quelques jours dans les ballons acier isolés, à quelques semaines pour les ballons utilisant les matériaux les plus performants ou dans le réseau (plancher chauffant etc.) . Les systèmes comportant des gels ou composants à changement de phase (chaleur latente) ne permettent pas non plus une durée de stockage très élevée. Il en est de même dans le cas des capteurs solaires à air où le stockage de la chaleur peut se faire dans les structures ou parois massives (mur Trombe par exemple) ou dans des stockages de type galets. Le stockage liquide en sous sol, dans des forages ou aquifère (ATES - Aquifer thermal energy storage) permet par contre une densité énergétique et une durée nettement supérieures (facteur 15). Par exemple : doublets géothermiques sur nappe phréatique avec pompe à chaleur (puits d'injection estivale en amont et puits de récupération hivernale en aval) - ou forages géothermiques de l'ordre de 100m de profondeur avec tube en U dans un sol sans circulation d'eau - ou encore système sans pompe à chaleur qui est très efficient par son très faible besoin énergétique (uniquement des pompes pour déplacer les fluides caloporteurs), sa très faible maintenance et son très faible impact environnemental. Contrairement aux forages géothermiques simples qui s'épuisent en 30 à 50 ans, sa durée de vie n'est limitée que par l'usure des tubes et des réalisations par exemple au Canada couvrent jusqu'à 100% des besoins en chauffage de certaines communes malgré des hivers très froids.

Les atouts du stockage thermochimique

Le stockage thermochimique (réactions endothermiques/exothermiques, adsorption, condensation capillaire, absorption…) qui s'applique tant à l'habitat individuel que collectif et à l'industrie pour une gamme de températures et de puissances très large, (de moins 40°C à des températures supérieures à 450°C) et pour lesquelles plusieurs solutions existent (première installation à base de zéolite commercialisée à Munich en 97) et d'autres proches d'arriver sur les marchés, s'avère très prometteur pour le solaire thermique tant pour la production de chaleur, la climatisation, la production d‘électricité, comme par ailleurs le transport d‘énergie. Il permet en effet de différer largement l'utilisation de la chaleur à un coût inférieur à celui d'une pompe à chaleur, avec une grande fiabilité et durabilité (plus de 30 ans attendus pour certains procédés), le tout sans aucune émission polluante et avec une densité supérieure à celui du stockage en sous-sol (facteur 20). Il peut ainsi permettre de récupérer à l'heure actuelle plus de 780 kWh/m3 ou encore 250 à 4000 kJ/kg en stockage de froid ou de chaleur selon les besoins (procédé EDF sulfate de magnésium MgSO4 - ZM15).

Il est en outre attractif non seulement pour le stockage d'énergie longue durée mais également son transport avec de plus réversibilité d'un site à l'autre (chaud ou froid selon) et permet ainsi de boucler le cycle avec le même fluide.

Le fonctionnement :

- Constitution du stock quand il y a du soleil (endothermie) : sous l'effet de la chaleur on sépare deux composés chimiques ou plus selon les objectifs par un phénomène de désorption (un sous forme vapeur et un sous forme liquide-solide sont ainsi obtenus). La vapeur est condensée par un échangeur. Les deux composés sont ainsi stockés séparément.

- Utilisation du stock (hiver sans source de chaleur, exothermie) : dans un premier temps il faut évaporer le liquide stocké (évaporation à faible température). Le mélange des deux produits par absorption conduit à une réaction exothermique. Cette chaleur peut ensuite être utilisée pour une application quelconque. Le mélange est ensuite réintroduit dans le désorbeur en attente d'une réutilisation.

Le volume occupé par ce type de stockage est nettement moins important (tout au plus quelques m3 par exemple pour une grande maison et pour 100% des besoins) que pour des technologies classiques. L'énergie stockée n'est pas influencé par la température et donc le réservoir ne nécessite pas d'isolation thermique. Ce qui n'engendre aussi aucune perte thermique durant le changement de saison.

Le stockage thermique est bien sûr applicable à plus petites (automobile etc) comme à plus grandes échelles (centrales thermosolaires etc)

Avancées du projet ESSI en France

Le projet ESSI (évaluation comparée des systèmes de stockage intersaisonnier, ANR Stock-E08) (CNRS/INSIS) s'inscrit dans la problématique générale du stockage intersaisonnier ou de longue durée de l'énergie thermique. D'origine industrielle (chaleur fatale) ou solaire, plusieurs niveaux de température peuvent être identifiés suivant les applications visées : les procédés basse température (<120°C), de faibles puissances (1 à 50 kW), destinés essentiellement à l'habitat ou au tertiaire,
les procédés moyennes températures (120°C < T < 450°C), ou hautes températures (T>450°C), destinés à réduire la consommation de chaleur d'origine fossile dans l'industrie.

Bien que le système étudié dans ce projet (stockage thermochimique) puisse couvrir l'ensemble de ces applications, l'étude est limitée au développement d'un prototype de stockage longue durée dédié au chauffage de l'habitat. Ce choix se justifie par l'enjeu considérable et à court terme que représente la diminution de la consommation énergétique dans ce domaine.

Les travaux d'évaluation des performances cibles est aujourd'hui terminé. La modélisation du bâtiment, des profils d'occupation et des besoins d'eau chaude sanitaire a été effectuée est à permis de définir le système de stockage en terme de puissance et d'énergie stockée.

La méthodologie pour l'optimisation d'un réacteur solide/gaz de haute densité énergétique à débuté : prédimensionnement des réseaux de diffuseurs de chaleur et de matière par approche constructale, puis modélisation 2D. Enfin, le banc de caractérisation des réactifs (perméabilité et cinétique) est opérationnel.

Le principe du procédé thermochimique : l'été l'énergie solaire permet la décomposition d'un composé AB en un composé A et de la vapeur B. La vapeur B est condensé dans un condenseur enterré. En hiver, la réaction inverse permet la restitution de la chaleur de réaction utilisable par un plancher chauffant. Le rendement est élevé, le coût prévisionnel inférieur à celui d'une pompe à chaleur et la technologie fiable et durable.


Commission européenne, MIT, Cnrs 03.12