Les batteries thermiques au carbone visent une énergie bon marché en continu pour l'industrie américaine

GrafTech International, un important fabricant de produits en carbone et en graphite, s'associe à un développeur de stockage d'énergie thermique pour créer des batteries thermiques à base de carbone destinées à fournir une énergie à faible coût et disponible en continu à l'industrie américaine. Cette initiative, rapportée par Interesting Engineering, place l'un des noms établis de la fabrication de graphite au cœur d'une catégorie de stockage qui suscite une attention croissante comme alternative aux batteries conventionnelles pour les charges industrielles lourdes.

Le principe est simple, même si l'ingénierie ne l'est pas : plutôt que de stocker l'énergie dans des réactions chimiques comme le font les cellules lithium-ion, une batterie thermique la stocke sous forme de chaleur dans un milieu solide — ici, le carbone — et libère cette chaleur lorsqu'une usine en a besoin. Pour les nombreux procédés industriels qui fonctionnent à la chaleur à haute température plutôt qu'à l'électricité seule, cette approche correspond directement à la manière dont les usines consomment réellement l'énergie.

Pourquoi la chaleur industrielle est le problème difficile

L'industrie lourde est l'un des secteurs les plus difficiles à décarboner, car une grande partie de ce qu'elle fait dépend de la chaleur plutôt que d'un travail mécanique ou électrique. La fusion, la calcination, le séchage, le durcissement, le raffinage et le traitement chimique exigent tous des températures élevées soutenues, et les équipements qui fournissent ces températures ont historiquement été conçus autour de la combustion.

Cela crée deux problèmes à la fois. Le premier est celui des émissions : la chaleur de procédé issue des combustibles fossiles représente une part majeure de la consommation d'énergie industrielle et, par extension, de la production de carbone industrielle. Le second est économique. Remplacer un four alimenté au gaz par un système fonctionnant sur des prix de gros volatils de l'électricité introduit un nouveau type de risque financier, car la structure de coûts de l'usine dépend désormais du moment où elle choisit de consommer de l'électricité.

Les batteries thermiques sont présentées comme un moyen de rompre ce lien. Si une installation peut absorber de l'électricité lorsqu'elle est bon marché et abondante — y compris pendant les périodes de forte production renouvelable — puis restituer la chaleur stockée à la demande, elle peut continuer à fonctionner en continu sans payer des prix élevés pour l'électricité. C'est la proposition de valeur en continu que poursuivent GrafTech et son partenaire.

Ce que fait une batterie thermique à base de carbone

Dans cette conception, une batterie thermique reçoit une entrée électrique et la convertit en chaleur à l'intérieur d'un milieu de stockage. La chaleur est conservée dans une masse isolée jusqu'à ce que le procédé en ait besoin, moment auquel elle est fournie sous forme d'énergie thermique à haute température. Rien dans cette séquence ne dépend de la disponibilité intermittente d'un calendrier de livraison de combustible ; la contrainte devient la quantité d'énergie que le bloc de stockage peut contenir et l'efficacité avec laquelle elle peut être récupérée.

Plusieurs caractéristiques font du carbone un matériau attrayant pour ce rôle :

• Résistance aux hautes températures. Les matériaux en carbone et en graphite sont utilisés dans des contextes industriels précisément parce qu'ils supportent une chaleur extrême sans perdre leur intégrité structurelle.
• Performance thermique. Le graphite conduit efficacement la chaleur, ce qui compte à la fois pour charger le milieu de stockage et pour extraire la chaleur à un rythme contrôlé.
• Chaînes d'approvisionnement établies. Le carbone et le graphite sont déjà produits à l'échelle industrielle pour des électrodes, des revêtements de fours et d'autres applications exigeantes.
• Profil de coût. L'économie d'un milieu de stockage dépend fortement du fait que la matière première soit assez bon marché pour être déployée en vrac plutôt qu'en petites quantités de précision.

Ce sont ces propriétés qui font du stockage à base de carbone une réponse plausible à un problème que la chimie des batteries seule a eu du mal à résoudre économiquement à l'échelle industrielle.

L'association GrafTech et Antora

Le rôle de GrafTech dans cette collaboration repose sur la fabrication. L'entreprise produit des articles en carbone et en graphite à grande échelle, ce qui signifie qu'elle apporte une expertise en production de matériaux et en traitement industriel plutôt qu'en logiciels de stockage ou en électronique de puissance. Son partenaire, l'entreprise de stockage d'énergie thermique Antora, travaille à convertir l'électricité en chaleur stockée et à la restituer aux clients industriels.

Cette division du travail est révélatrice. Le stockage thermique pour l'industrie lourde est autant un défi de matériaux et de fabrication qu'un défi de technologie énergétique. Construire un stockage capable de fonctionner dans une usine en activité, de survivre à des années de cycles thermiques et d'être produit en quantités suffisamment importantes pour compter nécessite le type de base d'approvisionnement industriel lourd que GrafTech exploite déjà.

L'association indique aussi où les développeurs estiment que le marché se dirige : non pas vers l'électronique grand public ou les véhicules particuliers, mais vers les clients industriels dont la demande énergétique est importante, continue et coûteuse à décarboner.

L'énergie en continu comme argument de vente

L'expression « en continu » a un sens précis dans ce contexte. Les installations industrielles ne s'arrêtent pas lorsque le soleil se couche ou lorsque la production éolienne faiblit. Un système de stockage qui ne décale l'énergie que sur quelques heures ne résout pas leur problème. Ce dont l'industrie a besoin, c'est d'un moyen d'acheter de l'énergie lorsqu'elle est la moins chère tout en continuant à fonctionner.

Les batteries thermiques y répondent en découplant le moment de l'achat du moment de l'utilisation. L'électricité peut être prélevée pendant les fenêtres de prix bas, convertie en chaleur et conservée jusqu'à ce que le procédé en ait besoin. Pour les exploitants d'usines, le résultat est une base de coûts plus prévisible et une voie vers l'utilisation d'une électricité plus sobre en carbone sans reconcevoir toute la ligne de production.

Il existe aussi un argument au niveau du réseau. Les grandes charges industrielles capables d'absorber l'électricité de manière flexible sont utiles à un système comportant des quantités croissantes de production renouvelable variable, car elles peuvent consommer de l'électricité lorsque l'offre est abondante au lieu d'ajouter une tension pendant les heures de pointe. Le stockage thermique transforme effectivement une usine en actif flexible plutôt qu'en actif rigide.

Ce qu'il faut surveiller

Cette collaboration est un développement à suivre plutôt qu'une histoire de déploiement achevée. La performance de la technologie dépendra de plusieurs facteurs qui deviendront plus clairs à mesure que les projets avancent :

• Coût par unité de chaleur stockée. Le stockage thermique ne remplace la chaleur de procédé fossile que si le coût livré est compétitif.
• Intégration aux usines existantes. Adapter le stockage à des sites industriels en activité est un problème d'ingénierie distinct de sa construction en laboratoire.
• Durabilité des matériaux. Une longue durée de vie sous des cycles répétés à haute température détermine si l'économie tient sur des décennies.
• Échelle de fabrication. La capacité de production de carbone et de graphite déterminera la rapidité de déploiement de la technologie.

Pour GrafTech, l'initiative étend une activité de matériaux à la transition énergétique, où l'expertise en graphite et en carbone a de la valeur au-delà des clients industriels traditionnels. Pour l'industrie américaine, elle représente une tentative de plus de faire de la chaleur bon marché, continue et plus sobre en carbone une option pratique plutôt qu'une aspiration à long terme. Le pari sous-jacent est simple : si la chaleur peut être stockée aussi bon marché qu'elle peut être générée, le calendrier des prix de l'électricité cesse de dicter quand les usines américaines peuvent fonctionner.

Cet article est basé sur un reportage d'Interesting Engineering. Lire l'article original.