Stockage Thermique pour l'Eco-Efficacité des Procédés – STEEP

Afin de réaliser un système de stockage par MCP, plusieurs verrous technologiques et économiques sont bien identifiés et orientent le projet STEEP :
• Le développement de matériaux de stockage à bas prix et longue durée de vie ;
• L’amélioration des caractéristiques thermiques et physicochimiques de ces matériaux : principalement conductivité thermique et cinétique de cristallisation;
• La recherche sur les systèmes de stockage : intégration du matériau et design de la cuve et\ou de l’échangeur de stockage.
• L’intégration du système de stockage dans les procédés thermiques et la régulation, le contrôle commande de l’ensemble.
Pour lever ces verrous, le travail collaboratif s’effectue à plusieurs échelles : de quelques milligrammes de MCP dans les calorimètres de laboratoire à la tonne dans le système préindustriel en passant par les quelques kilos du prototype à l’échelle laboratoire. Ce travail expérimental est couplé à une étude numérique dont les résultats sont exprimés en termes de rendement énergétique, de viabilité économique et d’impact environnemental.

Les premiers résultats marquant du projet sont :
• L’identification de procédés industriels cibles ;
• L’obtention, dans notre gamme de température, de deux MCP adaptés en termes de coût et de durée de vie ;
• La mise en place du banc d’essai à l’échelle laboratoire.

La perspective finale du projet est le développement et à moyen terme la commercialisation d’un système de stockage optimisé pour la valorisation de chaleur fatale dans l’industrie. Les impacts de cette technologie seront nombreux.
Ce système permettra d’une part des économies d’énergies. En effet en récupérant les rejets thermiques industriels plus efficacement, nous réduirons la demande de puissance et augmenterons l’efficacité énergétique globale de procédés industriels. Bien que l’ajout d’un stockage engendre un coût d’investissement supplémentaire, celui-ci sera rentabilisé par les économies d’énergies réalisées sur le long terme ; économies pouvant être bonifiées par l’utilisation des plages tarifaires heures creuses /heures pleines, permises par cette fonctionnalité de stockage.
D’autre part le stockage énergétique permettra la réduction de la consommation en période de pointe (l’effacement de consommation électrique). Le stockage de l’énergie thermique dans des procédés industriels permettrait le lissage des courbes de charges par réduction de la puissance maximale appelée (i.e. peak shaving) sur les réseaux électriques et les réseaux de chaleur et ainsi limiter le recours aux moyens de pointes fortement carbonés.
Enfin, en économisant l’énergie et qui plus est en période de pointe, une réduction des émissions de gaz à effets de serre sera permise.

Une présentation a été effectuée au congrès ECOS 2015 qui a eu lieu du 30 juin au 3 juillet 2015. La communication portait sur la modélisation du système de stockage thermique.
Sacha Rigal, Didier Haillot, Stéphane Gibout, Erwin Franquet and Jean-Pierre Bédécarrats, Latent Thermal Energy Storage System for Heat Recovery: Experimental and Numerical Investigations, 28th ECOS conference, Pau, France

Une grande quantité d’énergie est rejetée par l’industrie à bas niveau de température, entre 0 et 150°C. Sur l’ensemble des procédés industriels français, on estime à 75 TWh/an la quantité d'énergie perdue dans cette gamme de température. Afin d’améliorer le rendement énergétique global de ces procédés, il est envisageable de valoriser cette chaleur perdue (appelée aussi chaleur fatale). Ainsi, un peu plus de la moitié serait susceptible d’être récupérée et valorisée pour couvrir des besoins en chaleur.

Cependant cette valorisation est rendue difficile par la présence, dans une grande quantité de procédés industriels, d’un décalage temporel entre l’étape du process à laquelle l’énergie est perdue et l’étape du process à laquelle cette énergie pourrait être valorisée. L’intégration d’un système de stockage thermique permettrait de pallier ce problème et de mettre en adéquation la production d’énergie fatale et la demande. Ceci entrainerait une diminution de la consommation en énergie primaire.

La solution du stockage de l’énergie thermique par des Matériaux à Changement de Phase, appelés MCP, apparaît comme particulièrement attractive pour la valorisation de chaleur fatale. Elle associe en effet des capacités de stockage volumique et massique importantes ainsi que la possibilité de restitution de l’énergie à température stable et constante. Ces deux critères sont particulièrement adaptés à la valorisation de chaleur de procédés par lots aussi appelés procédés batch.

Cependant la mise en œuvre de ces systèmes de stockage se heurte à des verrous scientifiques et technologiques aussi bien au niveau des caractéristiques thermiques du matériau de stockage que de celles du système ou encore de son contrôle commande et de son insertion dans les procédés industriels.

Dans un cadre de recherche industrielle, l’objectif du projet Stockage Thermique pour l’Eco-Efficacité des Procédés (STEEP) est de mettre au point un système de stockage par MCP solide-liquide dans une gamme de température entre 80 et 140 °C. Le consortium visant à mettre au point ce système est composé de deux laboratoires et de trois entreprises. Le coordinateur du projet est le Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés (LaTEP) spécialisé dans les systèmes de stockage d’énergie par chaleur latente. Les autres partenaires sont le département Eco Efficacité et Procédés Industriels (EPI) du centre R&D d’EDF, l'Institut des Matériaux, de Microélectronique et des Nanosciences de Provence (IM2NP), le service R&D de la société CRISTOPIA, leader mondial du stockage de froid et le centre R&I de la Compagnie Industrielle d'Applications thermiques (CIAT).

Le projet STEEP vise à démontrer la faisabilité technique et économique d’un système de stockage utilisant un MCP solide-liquide adapté à la valorisation de la chaleur fatale. Il s’articule autour de différentes tâches allant de l’amélioration des MCP jusqu’à leur mise en œuvre dans un pilote de démonstration et l’évaluation numérique des performances d’un procédé intégrant un module de stockage par MCP. Ces performances seront alors exprimées en termes énergétique, économique et d’analyse de cycles de vie (ACV).