Un prototype de batterie de Carnot à base de sable explore une autre voie pour le stockage de longue durée

Des chercheurs d'Aalto testent si des matériaux bon marché peuvent soutenir le stockage thermique de l'électricité

Des chercheurs de l’université Aalto, en Finlande, ont évalué expérimentalement un prototype de batterie de Carnot basé sur un moteur Stirling qui utilise du sable comme stockage d’énergie thermique. Le concept vise l’un des problèmes les plus difficiles des systèmes énergétiques : comment stocker l’électricité sous des formes peu coûteuses, évolutives et adaptées à des durées plus longues que celles que permettent facilement de nombreuses batteries électrochimiques.

Une batterie de Carnot stocke l’électricité sous forme de chaleur, puis reconvertit ensuite cette chaleur en électricité. Dans le prototype de l’équipe d’Aalto, du sable à faible coût sert de support de stockage thermique, tandis qu’un moteur Stirling reconvertit la chaleur stockée en mouvement mécanique, puis en électricité. Cette approche s’inscrit dans une classe plus large de systèmes électricité-chaleur-électricité qui suscitent un intérêt croissant à mesure que les réseaux absorbent davantage de production renouvelable variable.

L’attrait principal est simple. Le sable est abondant et peu coûteux, et le stockage thermique peut en principe monter en capacité sans dépendre des mêmes chaînes d’approvisionnement en matériaux qui structurent les batteries lithium-ion. Si de tels systèmes peuvent être conçus avec une efficacité suffisante, ils pourraient faire partie du bouquet de stockage de longue durée nécessaire pour équilibrer dans le temps la production solaire et éolienne.

Le prototype a fonctionné, mais l’efficacité reste le principal défi

Les chercheurs ont combiné une évaluation expérimentale et numérique de la batterie de Carnot à moteur Stirling, ou SECB, afin de tester le comportement du prototype dans différentes conditions. Leur résultat publié est mitigé, mais utile : des températures moteur plus élevées ont amélioré à la fois la puissance délivrée et la durée de fonctionnement, montrant que la voie de conversion de base fonctionne comme prévu. Dans le même temps, le rendement aller-retour est resté faible.

Selon le résumé, les principales raisons étaient les pertes thermiques et le transfert de chaleur limité au sein du lit de sable. Ce ne sont pas des détails d’ingénierie mineurs. Ils touchent au cœur de la question de savoir si les batteries thermiques peuvent devenir économiquement compétitives comme systèmes qui renvoient l’électricité au réseau, plutôt que de simplement stocker de la chaleur pour un usage direct.

Cette distinction compte, car le stockage thermique est déjà plus facile à justifier lorsque l’énergie stockée est utilisée sous forme de chaleur. Dès qu’un système doit reconvertir une part significative de cette énergie en électricité, chaque étape de perte devient plus lourde de conséquences. Le résultat d’Aalto suggère que le concept est techniquement plausible, mais encore contraint par un obstacle bien connu : déplacer et préserver la chaleur suffisamment efficacement pour rendre le cycle complet convaincant.

Pourquoi les batteries de Carnot continuent d’attirer l’attention

Malgré ces limites, les batteries de Carnot occupent une niche de plus en plus intéressante. Les systèmes énergétiques fortement basés sur les renouvelables ont besoin de plusieurs formes de stockage, pas seulement de batteries à réaction rapide pour l’équilibrage à court terme. Ils ont aussi besoin de technologies capables d’absorber l’électricité excédentaire, de la conserver à moindre coût sur de plus longues périodes et de la restituer lorsque le réseau en a besoin.

Le stockage thermique offre une voie vers cet objectif, surtout lorsqu’il est associé à des matériaux simples ou abondants. Le sable a déjà suscité de l’intérêt dans d’autres dispositifs de stockage de chaleur parce qu’il est bon marché, ininflammable et facile à se procurer. Ce que la conception basée sur un moteur Stirling ajoute, c’est une tentative de boucler la chaîne jusqu’à une production électrique.

Un moteur Stirling est un moteur thermique à cycle fermé qui utilise un gaz de travail permanent, comme l’air ou un autre gaz, pour produire un mouvement mécanique à partir de différences de température. En théorie, cela en fait un candidat naturel pour extraire un travail utile d’un réservoir thermique stocké. En pratique, le système doit encore gérer l’isolation, l’échange thermique et les pertes de conversion avec suffisamment de rigueur pour ne pas annuler l’avantage de coût du support de stockage.

La valeur de ce résultat tient à son caractère concret

Les concepts de stockage d’énergie circulent souvent sous forme de simulations ou de propositions de conception à haut niveau. Ce qui rend le travail d’Aalto notable, c’est qu’il fait avancer la discussion grâce à un prototype construit et à des résultats mesurés. Même une démonstration à faible efficacité peut être précieuse si elle permet de déterminer quelles pertes dominent et quelles modifications de conception comptent le plus.

Ici, la source met en évidence deux domaines qui définiront probablement l’étape suivante du développement. Le premier consiste à réduire les pertes thermiques afin que la chaleur stockée reste disponible assez longtemps pour justifier le cycle charge-décharge. Le second consiste à améliorer le transfert de chaleur dans le lit de sable afin que le système puisse accéder plus efficacement à l’énergie stockée. Ce sont à la fois des problèmes de conception et de matériaux, mais ils conditionnent aussi le modèle économique.

Si des températures plus élevées améliorent les performances, le système pourrait alors bénéficier de configurations qui tolèrent mieux et exploitent plus efficacement des conditions de fonctionnement élevées. Mais ces gains doivent être mis en balance avec la durabilité, la complexité du système et le coût. Une batterie thermique ne devient attrayante à l’échelle du réseau que si sa simplicité survit aux raffinements d’ingénierie nécessaires pour augmenter sa puissance de sortie.

La place de ce travail dans le paysage du stockage

Le prototype d’Aalto ne remplacera probablement pas de sitôt les systèmes de batteries établis. Son faible rendement aller-retour le montre clairement. Mais cela ne signifie pas que le concept soit marginal. Les marchés du stockage s’élargissent, et toutes les technologies n’ont pas besoin de résoudre le même problème. Certaines seront optimisées pour la réponse en fréquence, d’autres pour l’arbitrage sur plusieurs heures, d’autres encore pour la chaleur industrielle ou l’équilibrage saisonnier.

Dans ce paysage, une batterie de Carnot à base de sable pourrait devenir pertinente si elle mûrit en une option peu coûteuse pour les situations où un support de stockage bon marché et une longue durée importent davantage que l’efficacité de pointe. C’est une proposition difficile, mais pas invraisemblable si des améliorations d’ingénierie réduisent sensiblement les pertes.

Pour l’instant, l’enseignement le plus clair est que la promesse d’un stockage thermique de l’électricité à base de sable reste réelle, mais non résolue. Le prototype d’Aalto montre que l’idée peut fonctionner en principe. Il montre aussi que la faire fonctionner efficacement est l’étape plus difficile et la plus importante.

Cet article est basé sur un reportage de PV Magazine. Lire l’article original.