Le sel et l’eau: des atouts pour le stockage de l’énergie thermique à haute densité
L’énergie du soleil est pratiquement renouvelable à l’infini et son accès n’est conditionné par aucun obstacle géopolitique. Actuellement, les systèmes solaires actifs résidentiels commercialisés pour le chauffage, le refroidissement et l’eau chaude sanitaire sont équipés d’un réservoir de stockage de chaleur à court terme. Ce réservoir est capable d’emmagasiner de la chaleur pendant quelques heures, et ainsi brièvement prolonger le fonctionnement du dispositif si le temps est nuageux ou à la tombée de la nuit. Il n’est toutefois pas possible de l’adapter aux régions moins ensoleillées tout au long de l’année, comme l’Europe centrale et septentrionale, ni au climat de plus en plus pluvieux, même dans les régions historiquement ensoleillées. Le stockage saisonnier de l’énergie thermique (STES pour «seasonal thermal energy storage») est pourtant indispensable si l’on entend exploiter le plein potentiel de l’énergie solaire. Le projet SWS-HEATING, financé par l’UE, a mis au point un système STES innovant et rentable capable de conserver la chaleur pendant des mois. Il favorisera l’adoption généralisée de systèmes solaires actifs à usage résidentiel partout dans le monde, quelles que soient les conditions météorologiques ou climatiques.
Des sorbants d’eau sélectifs adaptés au STES
Selon le coordinateur du projet, Sotirios Karellas, rattaché au Laboratory of Steam Boilers and Thermal Plants de l’université polytechnique nationale d’Athènes, «l’un des concepts simples du STES en cours de développement repose sur des réservoirs d’eau souterrains de grande capacité. Toutefois, les frais de fabrication élevés et l’espace requis limitent les applications, en particulier pour les besoins énergétiques résidentiels. Le stockage saisonnier de l’énergie par chaleur latente ou électrochimique n’en est qu’à ses débuts et se heurte à des difficultés liées à la stabilité et aux coûts». SWS-HEATING s’est concentré sur les sorbants d’eau sélectifs (SWS pour «selective water sorbents»), qui s’appuient sur un sel inorganique imprégné d’une matrice hôte poreuse pour piéger (adsorber) les molécules d’eau. De nombreuses matrices hôtes et sels sont utilisables, ce qui permet d’adapter les propriétés aux applications. En outre, les SWS présentent plusieurs avantages par rapport aux autres types de sorbants: une perte de chaleur minimale, idéale pour les applications de stockage à long terme (saisonnier); une densité élevée de stockage de la chaleur; et une production à faible coût.
Un nouveau SWS et un échangeur de chaleur à plaque unique
«SWS-HEATING a mis au point un nouveau matériau SWS dont la densité de stockage, lors d’essais en laboratoire, est supérieure de plus de 20 % à celle des matériaux SWS actuels. Après 1 000 cycles d’essais de vieillissement dans des conditions de travail plus rigoureuses que les conditions réelles, il ne s’est pas dégradé et n’a pas perdu sa capacité d’adsorption», remarque Sotirios Karellas. Un échangeur de chaleur à plaque unique (HEX pour «heat exchanger») pour le SWS conçu par SWS-HEATING peut être utilisé comme adsorbeur/désorbeur ainsi que comme évaporateur/condenseur. Cette prouesse technologique permettra de réduire considérablement les coûts puisqu’un seul type d’HEX sera produit, et monté différemment pour chaque application. Point important, «l’HEX adsorbeur/désorbeur SWS dispose d’un volume d’adsorbant près de trois fois supérieur au volume de fluide caloporteur (soit 2,73 contre 1,1 à 1,4 pour les HEX commerciaux). La quantité d’adsorbant susceptible de piéger les molécules d’eau est donc beaucoup plus importante, ce qui améliore la densité et la performance du stockage», ajoute Sotirios Karellas.
De l’énergie solaire résidentielle toute l’année, partout dans le monde
«La coopération fructueuse entre les membres du consortium et les responsables de projet de la Commission européenne nous a permis de surmonter les difficultés liées à la disponibilité et aux coûts des matériaux et des fournisseurs, ainsi que les défis et les quarantaines imposés par la pandémie de COVID-19», souligne Sotirios Karellas. Malgré les difficultés, l’équipe du projet est parvenue à concevoir et à fabriquer le prototype holistique SWS-HEATING comprenant son SWS, son HEX et un système de contrôle intelligent, et d’en démontrer le bien-fondé de la conception. «Notre technologie STES, tout en minimisant la perte de chaleur, peut couvrir jusqu’à 60 % des besoins énergétiques annuels d’un bâtiment résidentiel, ce qui permettra d’exploiter l’énergie solaire dans des régions où elle est moins disponible en hiver. Avec des réductions considérables des coûts énergétiques et des émissions, et un soutien clé à la politique énergétique de l’UE et à son indépendance dans ce domaine, elle pourrait constituer une percée majeure pour le secteur résidentiel», conclut Sotirios Karellas.
Mots‑clés
SWS-HEATING, énergie, solaire, sorbant d’eau sélectif, STES, stockage saisonnier de l’énergie thermique, échangeur de chaleur à plaque unique, adsorbant, énergie solaire
