Depuis le conflit en Ukraine, la nécessité de couper les maisons du gaz s'est accrue. Une batterie de chaleur avec du sel et de l'eau comme composants simples pourrait fournir une solution rapide et à grande échelle pour plus de trois millions de foyers aux Pays-Bas, soit le double de l'objectif fixé par le gouvernement néerlandais. Cette batterie thermique, développée par un consortium composé de l'Université de technologie d'Eindhoven, de TNO, de la spin-off Cellcius et de partenaires industriels, est bon marché, compacte, sans perte et maintenant prête pour les premiers tests en conditions réelles.

Avec le stockage de la chaleur dans les maisons et en exploitant les grandes quantités de chaleur résiduelle industrielle qui seraient autrement jetées, cette batterie est un changement potentiel pour la transition énergétique. Voici quatre raisons de se recharger pour l'arrivée de cette batterie innovante.

1. La base de la batterie est incroyablement simple

Une simple expérience révèle immédiatement l'essence de la batterie thermique. Remplissez une petite bouteille de grains de sel blanc, ajoutez un peu d'eau et ça commence à grésiller. De plus, comme par magie, la bouteille est instantanément incroyablement chaude. Olaf Adan a démontré l'expérience d'innombrables fois, étonnant les spectateurs à maintes reprises.

Adan, professeur TU/e ​​et chercheur principal au TNO, est au cœur de la batterie thermique d'Eindhoven, qui tourne essentiellement autour d'un principe thermochimique relativement ancien :la réaction d'un hydrate de sel avec de la vapeur d'eau. "Les cristaux de sel absorbent l'eau, grossissent et, ce faisant, dégagent de la chaleur", explique Adan. D'où le biberon qui se réchauffe rapidement.

Mais l'inverse est aussi possible. "En ajoutant de la chaleur, vous évaporez l'eau et "séchez" le sel, réduisant ainsi la taille des cristaux de sel", explique Adan. Tant qu'il n'y a pas d'eau dans cette poudre de sel sèche, la chaleur y est toujours stockée. Ainsi, contrairement aux autres types de stockage de chaleur, rien n'est perdu :la batterie est totalement sans perte.

Vous pouvez répéter ce processus à l'infini, d'une manière ou d'une autre, fournissant ainsi la base d'une batterie thermique qui peut stocker la chaleur et l'utiliser ultérieurement et dans un endroit différent. Il s'agit d'une solution pour l'approvisionnement fluctuant en énergie renouvelable dans les maisons et les bâtiments, et pour la réutilisation rapide des « déchets de chaleur » dans un autre endroit.

Si le principe de la batterie peut être simple, son application dans une batterie ne l'est certainement pas. En témoigne le fait qu'Adan y travaille depuis plus de 12 ans. Par exemple, le choix du matériau salin spécifique ne va pas de soi. Il existe des milliers de réactions connues des hydrates de sel avec l'eau. Adan les a tous étudiés en détail, découvrant finalement que seul un nombre très limité possède les bonnes propriétés pour une utilisation dans une batterie.

"Un cristal de sel comme celui-ci devient de plus en plus gros, la chaleur entre et sort tout le temps. Il arrive donc quelque chose à une telle particule. En conséquence, elle peut rapidement se désintégrer ou s'agglutiner avec d'autres particules. Vous avez donc besoin d'un matériau que vous peut continuer à utiliser de manière cyclique », déclare Adan. Au final, lui et son équipe ont opté pour le carbonate de potassium comme base, un sel facilement extractible que l'on retrouve dans de nombreux produits, comme la nourriture, le savon ou le verre.

Ensuite, vous avez également besoin d'un appareil qui utilisera pleinement le potentiel de ce matériau. S'il doit tenir dans une maison, il doit être compact, et de préférence aussi abordable et très efficace. "Alors vous commencez à regarder toutes sortes de concepts de réacteurs, comme dans le vide ou à l'air libre, mais sans succès à ce jour", explique Adan.

Finalement, Adan est arrivé au système dit en boucle fermée, dont il a construit un démonstrateur en 2019. Ce système de recirculation se compose de composants comprenant un échangeur de chaleur, un ventilateur, un évaporateur/condenseur et une chaudière à particules de sel. À 7 kWh, la consommation était encore assez minime. En théorie, cela pourrait fournir du chauffage à une famille type de quatre personnes pendant deux jours.

"Cela semblait encore assez basique, avec une technologie existante et mature, mais cela nous a permis de démontrer que notre concept, aussi simple soit-il, fonctionnait." Preuve qui a permis à Adan au sein du consortium européen HEAT-INSYDE (comprenant TU/e, TNO, Caldic et des acteurs français, belges, polonais et suisses) de remporter une subvention européenne de sept millions d'euros pour poursuivre son développement. L'équipe s'est alors mise au travail pour "faire évoluer" le démonstrateur vers un prototype prêt à être utilisé dans la pratique. C'est désormais chose faite.

2. La technologie est optimisée pour une utilisation dans le monde réel

En termes de dimensions, le prototype aujourd'hui réalisé est probablement comparable au démonstrateur, mais là s'arrêtent les similitudes apparentes. Le prototype ressemble à une sorte de grande armoire avec des dizaines de casiers, avec toutes sortes de câbles lâches qui sortent du côté.

Étonnamment, chaque duo de petits "casiers" représente une batterie de chaleur qui correspond à l'ensemble du démonstrateur d'origine en termes de capacité de stockage. L'ensemble du dispositif contient une trentaine de « casiers », d'une capacité totale de stockage de plus de 200 kWh. Adan met les choses en perspective :"Cela équivaut à deux Tesla complètement chargées."

"Nous avons optimisé la version précédente d'innombrables façons", explique fièrement Adan. "Nous avons repensé les composants individuels, tels que l'évaporateur et l'échangeur de chaleur, fait une meilleure utilisation de l'espace et utilisé d'autres matériaux." Pendant ce temps, l'unité comprend également un système de mesure et de contrôle, par exemple, afin que vous sachiez quand charger et combien de chaleur reste dans le système.

La plupart des applications ne nécessitent pas une batterie aussi grosse. C'est pourquoi nous avons délibérément choisi ces multiples petites unités que vous pouvez combiner à volonté; un système modulaire, en d'autres termes. "Si vous avez un gros récipient de sel, vous devez commencer à tout utiliser en même temps. C'est vraiment inefficace", déclare Adan. Vous pouvez donc utiliser des "morceaux" de la batterie, séparés du reste.

De plus, les unités séparées offrent toutes sortes de possibilités de conception, permettant différentes formes et tailles, en fonction de la situation pratique souhaitée. Adan parle d'un prototype orienté utilisateur. "Ce n'est pas encore un produit, mais tout est maintenant prêt à être testé pour la première fois en situation réelle."

Et ces tests commenceront plus tard cette année, avec les premiers pilotes de la batterie thermique dans les maisons. Une batterie d'environ 70 kWh sera installée, de quoi tenir quelques jours sans soleil ni vent, dans quatre habitations, deux à Eindhoven, une en Pologne et une en France.

Même s'il n'y a "que" quatre maisons, Adan s'attend à ce qu'ils "apprennent énormément de cela". Par exemple, les tests vont fournir des informations précieuses sur ce qui est nécessaire dans la pratique pour appliquer la batterie à grande échelle ainsi que sur ce que l'utilisateur en pense. Par exemple, devrait-il y avoir une application pour faire fonctionner la batterie ?

3. Le transport de chaleur est crucial dans la transition énergétique

L'idée qui a tout déclenché était la batterie thermique comme moyen de stockage dans les maisons. En attendant, le consortium étudie également le stockage de chaleur dans les immeubles de bureaux, l'horticulture sous serre ou, par exemple, les bus électriques ou les navires de luxe.

Mais, ont-ils réalisé, si cette batterie thermique peut stocker de la chaleur sans perte, elle peut également être transportée sans perte. Après tout, rien d'autre n'arrive au sel sec tant qu'il n'y a pas d'eau ajoutée. C'est exactement là que la batterie thermique pourrait faire la différence, car d'autres formes de transport de chaleur, telles que les canalisations ou les transitions de phase, génèrent toujours des pertes.

Le consortium concentre donc également son attention sur la chaleur résiduelle industrielle en tant que source de chaleur, une sorte de « perte de chaleur », comme celle générée comme sous-produit dans les usines ou la chaleur excédentaire des centres de données. Cette chaleur n'est plus si « chaude »; à des températures inférieures à 150 degrés Celsius, il n'a aucune valeur pour la plupart des industries.

Pour les maisons, cependant, une telle chaleur est très utile. De telles températures sont plus que suffisantes pour chauffer votre maison ou prendre une douche chaude. Si la chaleur résiduelle industrielle pouvait être utilisée pour chauffer les maisons, vous auriez une situation gagnant-gagnant :les maisons pourraient être rendues indépendantes du gaz - un besoin encore plus urgent compte tenu de la dépendance au gaz (russe) - et du CO₂ les émissions seraient réduites.

Adan fait un rapide calcul. "Aux Pays-Bas, nous avons environ 150 pétajoules (un nombre avec 15 zéros) de chaleur résiduelle de l'industrie par an. Cela vous permettrait de retirer près de 3,5 millions de foyers du gaz, ce qui est plus du double de l'objectif du gouvernement néerlandais, à savoir 1,5 million de foyers sans gaz d'ici 2030."

Si vous superposez les emplacements des sources de chaleur résiduelle industrielle et des maisons sur une carte des Pays-Bas, Adan dit que la correspondance est raisonnablement bonne. Il n'y a pas plus de 30 kilomètres entre eux.

Cependant, c'est encore trop pour les réseaux de chaleur, la méthode sur laquelle le gouvernement se concentre maintenant. "Les grilles de chauffage utilisent des tuyaux avec de l'eau, ce qui refroidit et limite donc votre rayon d'action", explique Adan. "En outre, les réseaux de chaleur présentent un risque d'investissement élevé et tout le paysage doit être ouvert pour les construire, ce qui n'est pas une option attrayante."

Avec un consortium comprenant Cellcius (plus à ce sujet dans un instant), Ennatuurlijk, Demcon, SiTech, TNO, Brightside et SABIC, Adan prépare donc maintenant un essai en situation réelle pour utiliser la batterie thermique pour la réutilisation de la chaleur résiduelle industrielle. La chaleur résiduelle du Campus Chemelot à Sittard-Geleen sera acheminée vers une cinquantaine de foyers du quartier de la même commune.

Adan :"Avec une station de recharge de chaleur chez SABIC, nous récupérons la chaleur et séchons le sel. Nous transportons ensuite ce sel par camion jusqu'à une sorte de 'maison du transformateur' dans le quartier résidentiel, d'où les cinquante maisons sont alimentées en chaleur via des tuyaux. Nous n'avons donc pas besoin d'être dans les maisons elles-mêmes."

Et oui, utiliser des camions n'est pas respectueux du climat, mais Adan peut rassurer tout le monde. "Les émissions qui en résultent sont négligeables par rapport aux émissions que nous économisons avec ce transport de chaleur. De plus, nous voulons passer bientôt aux camions électriques."

Le pilote doit démarrer dans le courant de l'année prochaine, lorsque les premiers camions chargés d'"énergie" pourront prendre la route.

4. Le passage à la valorisation renforce le développement

Maintenant que la technologie est sur le point d'être déployée dans la société, des mesures ont également été prises sur le plan organisationnel et financier. Par exemple, la spin-off Cellcius - la première spin-off combinée de TNO et TU/e ​​- a été fondée fin 2020. "L'entreprise a été formellement fondée le 11, comme il se doit dans le Brabant", s'amuse-t-il. Adan, en clin d'œil à la date du traditionnel début du Carnaval.

La jeune entreprise est encore petite, avec cinq personnes pour le moment. Mais Adan s'attend à ce qu'ils soient passés à environ 10 à 15 personnes d'ici la fin de l'année. "De plus, depuis Eindhoven Engine, nous accueillons de nombreux étudiants de toutes sortes d'études pour collaborer sur divers aspects."

Depuis la subvention européenne à sept chiffres, de nombreux financements supplémentaires ont également été obtenus pour permettre la réalisation du prochain projet pilote résidentiel. Et grâce aux récents investissements de la Brabant Development Corporation, d'Innovation Industries et du GoeieGrutten Impact Fund, la touche finale a été apportée à la situation financière du pilote de transport de chaleur.

Maintenant qu'Adan, à travers Cellcius, n'est plus impliqué uniquement en tant que chercheur mais a aussi un pied dans la valorisation, il voit comment cette interaction a un effet amplificateur sur la technologie. "Parce que vous travaillez maintenant vraiment sur un produit, qui à son tour génère de nouvelles questions pour le travail de base, la technologie. C'est un merveilleux exemple de co-création et comment cela vous permet d'accélérer ce cycle."

Malgré la grande promesse de la technologie dont il dispose, Adan reste terre-à-terre. "Bien que le potentiel soit énorme, nous avons également vu de nombreuses technologies à fort potentiel qui n'ont pas réussi. Nous allons donc garder les pieds sur terre et faire un pas à la fois. Je ne suis là que pour un chose :c'est formidable de pouvoir contribuer à la transition énergétique."