Jusqu'à présent, il était difficile de stocker l'énergie que nous générons lorsque le soleil brille et que le vent souffle. Mais les chercheurs d'un laboratoire de Trondheim en Norvège ont réussi à faire exactement cela, et entièrement sans aucune forme de technologie de batterie avancée.

De l'extérieur, il ressemble à un conteneur de couleur argentée avec une petite fenêtre ronde découpée sur le côté et plusieurs tuyaux d'entrée et de sortie. La chaleur est d'abord aspirée dans le système, puis, après un certain temps, est à nouveau libérée.

Ce « conteneur » permet de stocker l'énergie thermique générée lors des journées ensoleillées et venteuses et de la restituer lorsque le temps se refroidit. La technologie qui pilote le système est basée sur ce que l'on appelle les « matériaux à changement de phase » (PCM) en combinaison avec des pompes à chaleur.

En fait, la source d'énergie peut provenir de l'électricité générée par des panneaux solaires, de la chaleur perdue d'un bâtiment d'usine ou de l'énergie excédentaire d'une éolienne. Ici, dans le laboratoire ZEB (Zero Emission Building) exploité par SINTEF et NTNU, l'énergie pour le stockage provient des panneaux solaires qui couvrent la majeure partie du toit et de la façade sud du bâtiment.

L'eau est le matériau à changement de phase le plus courant au monde

Mais qu'est-ce qu'un matériau à changement de phase ? Alexis Sevault est directeur de recherche chez SINTEF Energy Research et est plus qu'heureux d'expliquer.

En fait, l'eau est un matériau à changement de phase dans sa forme la plus simple et la plus familière. Il peut se transformer en cristaux de glace lorsque la température tombe en dessous de zéro degré Celsius, devenir liquide lorsque la température augmente et se transformer en vapeur à l'approche de 100 degrés Celsius. L'eau a également la capacité de se comporter différemment dans ses différentes phases et, surtout, peut stocker la chaleur sous sa forme liquide.

Les scientifiques donnent le nom de matériaux à changement de phase, ou PCM, à des matériaux qui se comportent différemment dans leurs différentes phases et qui peuvent également stocker de la chaleur.

Il existe de nombreux PCM qui peuvent stocker de la chaleur lorsqu'ils sont sous leur forme liquide. Ce qui rend ces matériaux intéressants et surtout pratiques dans ce contexte, c'est que leurs points de fusion ne sont pas de zéro degré.

Point de fusion :37 degrés Celsius

Cette propriété permet aux PCM d'être utilisés comme des "banques thermiques". En d'autres termes, comme des piles. Le grand récipient argenté du laboratoire ZEB contient un PCM qui fond à la température du corps.

"Le dispositif contient trois tonnes d'une biocire liquide à base d'huile végétale non utilisable comme aliment", précise Sevault. "De la même manière que l'eau se transforme en glace, la cire devient un matériau solide et cristallin lorsqu'elle devient suffisamment froide. 'Froid' pour cette cire particulière signifie en dessous de 37 degrés", dit-il, et ajoute :

"Mais il existe d'autres types de biowax qui ont des points de fusion différents, offrant tous des opportunités pour de nombreuses applications similaires."

Molécules intelligentes

Si l'on examine en détail la biocire, on constate qu'elle est constituée de molécules au comportement très économique vis-à-vis de la chaleur.

Afin d'économiser de l'énergie, les molécules s'arrangent très étroitement lorsque la cire biologique est dans sa phase solide. Ils se regroupent les uns à côté des autres et restent relativement immobiles, un peu comme une volée de pingouins froids sur une banquise.

Au fur et à mesure que le matériau fond, les liaisons qui maintiennent les molécules ensemble se desserrent et elles commencent à se déplacer avec ce que nous appelons l'énergie cinétique. Comme plus de chaleur est fournie par leur environnement, les molécules deviennent plus excitées. Enfin, ils sont libérés de leurs liens et peuvent vibrer librement et indépendamment. Lorsque cela se produit, la cire biologique a changé de phase et est devenue liquide.

Et le contraire est vrai. Lorsque la cire passe d'un liquide à un solide, les molécules libèrent une grande partie de leur énergie cinétique dans leur environnement. Ils cessent de vibrer et recommencent à se regrouper afin d'économiser de l'énergie. La cire redevient alors solide.

Biologique et sans entretien

C'est le phénomène que les chercheurs exploitent dans le conteneur d'argent. L'énergie collectée par les panneaux solaires extérieurs du bâtiment est conduite via une pompe à chaleur dans la grande "batterie", et c'est ici que les molécules de biowax sont libres de danser à leur guise - pleines de leur énergie liquide.

Lorsque vient le temps d'extraire l'énergie, l'eau liquide se voit confier la tâche de "porteur d'énergie pratique". Tout d'abord, l'eau froide est envoyée à travers le système de stockage de chaleur. Après un court instant, l'eau maintenant chauffée est libérée de l'appareil et dirigée vers les radiateurs et le système de ventilation, fournissant de l'air chauffé au bâtiment.

Un système efficace et fonctionnel

Cette technologie est désormais intégrée au système de chauffage du Laboratoire ZEB depuis plus d'un an.

"Le système de stockage de chaleur basé sur PCM offre exactement les performances que nous attendions", déclare Alexis Sevault. "Nous utilisons autant que possible l'énergie solaire autoproduite du bâtiment. Nous constatons également que le système est très bien adapté à ce que l'on appelle le 'peak shaving'", dit-il.

"En chargeant la bio-batterie avant les heures les plus froides de la journée, nous empêchons le bâtiment de consommer de l'électricité précieuse du réseau à des moments où le reste de Trondheim connaît également une forte demande", explique Sevault. "Cela nous offre un niveau de flexibilité qui peut également être utilisé pour exploiter les fluctuations du prix au comptant. Nous pouvons charger notre batterie lorsque nous avons accès à l'énergie du soleil, du vent et de la chaleur perdue, et extraire la production lorsque le prix de l'électricité est élevé. ," il explique.

De plus, la première année de fonctionnement a fourni d'importants volumes de données que les chercheurs vont maintenant utiliser pour optimiser à la fois la conception et le fonctionnement du système afin d'extraire le plus de résultats possible.

Le mieux adapté aux applications industrielles

Le système est donc beaucoup moins sophistiqué qu'une batterie traditionnelle, mais il ne convient pas à tous les bâtiments. S'agissant d'une nouvelle technologie, les coûts d'investissement restent élevés. L'inconvénient est qu'un tel système ne fonctionnera pas pour tout le monde. Du moins pas actuellement.

"Ce système sera idéal pour les bâtiments industriels et de bureaux, et dans les quartiers où la chaleur peut être distribuée", explique Sevault. "Le meilleur dans tout cela, c'est que la technologie ne nécessite pratiquement aucun entretien. Elle durera au moins 25 ans", déclare-t-il.

Les chercheurs travaillent également au développement de systèmes de contrôle intelligents dans le but d'optimiser le rendement. Ceux-ci permettront au système dans son ensemble de répondre et d'être régulé en fonction des besoins de son environnement. Cela signifie en pratique que la manière dont le système est exploité peut être guidée par des facteurs tels que les prévisions météorologiques et les fluctuations du prix de l'électricité. Cette recherche est menée par SINTEF en collaboration avec NTNU. En collaboration avec de nombreuses autres divisions de recherche au sein de NTNU et SINTEF, les chercheurs ont créé un centre Gemini appelé Stockage d'énergie thermique.

Une spin-off de SINTEF

Les chercheurs qui ont développé la « bio-batterie », ou système de stockage de chaleur PCM comme l'appellent les experts, sont maintenant en train de créer une entreprise dans le but de commercialiser la technologie. Cela se passe en collaboration avec la division interne de soutien aux start-up de SINTEF, SINTEF TTO.

"Nous prévoyons qu'après plusieurs mois de tests au laboratoire ZEB, nous pourrons en toute sécurité lancer le concept sur son chemin vers la commercialisation", déclare Sevault. "Nous avons également établi des contacts avec de nombreux utilisateurs finaux intéressés par l'installation d'un système pilote en 2023 ou 2024. Beaucoup d'entre eux sont des entreprises industrielles qui disposent des ressources nécessaires pour développer le concept", a-t-il déclaré. + Explorer plus loin

Comprendre les matériaux à changement de phase pour le stockage d'énergie thermique