Les chercheurs du Berkeley Lab ont signalé une percée dans les matériaux à changement de phase, qui améliorera l’abordabilité du stockage d’énergie thermique. Des matériaux à changement de phase peuvent être ajoutés à l’intérieur des murs et garder automatiquement un bâtiment au frais ou au chaud en fonction de la température ambiante. Crédit : Jenny Nuss/Berkeley Lab
Les efforts de recherche de Berkeley Lab dans les matériaux avancés et les analyses de coûts donnent un élan majeur à une technologie négligée.
Un réservoir de glace ou d’eau chaude pourrait-il être une batterie ? Oui! Si une batterie est un dispositif de stockage d’énergie, le stockage d’eau chaude ou froide pour alimenter le système de chauffage ou de climatisation d’un bâtiment est un autre type de stockage d’énergie. Connue sous le nom de stockage d’énergie thermique, cette technologie existe depuis longtemps mais a souvent été négligée. À présent, les scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) font un effort concerté pour faire passer le stockage d’énergie thermique au niveau supérieur.
Pour surmonter certaines des limites du stockage d’énergie thermique traditionnel à base d’eau, les scientifiques du Berkeley Lab cherchent à développer des matériaux et des systèmes de nouvelle génération à utiliser comme moyen de chauffage ou de refroidissement. Ils créent également un cadre pour analyser les coûts ainsi qu’un outil pour comparer les économies de coûts. Dans une série d’articles publiés cette année, les chercheurs du Berkeley Lab ont fait état d’avancées importantes dans chacun de ces domaines.
« Il est très difficile de décarboniser les bâtiments, en particulier pour le chauffage », a déclaré Ravi Prasher, directeur associé du laboratoire de Berkeley Lab pour les technologies énergétiques. « Mais si vous stockez l’énergie sous forme d’utilisation finale, qui est la chaleur, plutôt que sous la forme d’approvisionnement en énergie, qui est l’électricité, les économies de coûts pourraient être très intéressantes. Et maintenant, avec le cadre que nous avons développé, nous pourrons peser les coûts du stockage d’énergie thermique par rapport au stockage électrique, comme avec les batteries au lithium, ce qui était impossible jusqu’à présent.
Aux États-Unis, les bâtiments représentent 40 % de la consommation totale d’énergie. De ce montant, près de la moitié va aux charges thermiques, qui comprennent le chauffage et le refroidissement des locaux ainsi que le chauffage et la réfrigération de l’eau. En d’autres termes, un cinquième de toute l’énergie produite sert aux charges thermiques des bâtiments. Et d’ici 2050, la demande sur le réseau électrique provenant des charges thermiques devrait augmenter considérablement à mesure que le gaz naturel est progressivement supprimé et que le chauffage est de plus en plus alimenté par l’électricité.
« Si nous utilisons le stockage d’énergie thermique, dans lequel les matières premières sont plus abondantes pour répondre à la demande de charges thermiques, cela relâchera une partie de la demande de stockage électrochimique et libérera des batteries à utiliser là où le stockage d’énergie thermique ne peut pas être utilisé. a déclaré Sumanjeet Kaur, responsable du groupe d’énergie thermique de Berkeley Lab.
Les scientifiques du Berkeley Lab, Ravi Prasher (à gauche) et Sumanjeet Kaur, mènent un effort pour développer le stockage d’énergie thermique afin de décarboner les bâtiments. Crédit : Thor Swift/Laboratoire de Berkeley
Alternative viable et économique aux batteries
Alors que notre société continue de s’électrifier, le besoin de batteries pour stocker l’énergie devrait être énorme, atteignant environ 2 à 10 térawattheures (TWh) de production annuelle de batteries d’ici 2030, contre moins de 0,5 TWh aujourd’hui. La batterie lithium-ion étant la technologie de stockage dominante dans un avenir prévisible, une contrainte clé est la disponibilité limitée des matières premières, notamment le lithium, le cobalt et le nickel, ingrédients essentiels de la batterie au lithium d’aujourd’hui. Bien que Berkeley Lab soit travailler activement pour faire face à cette contrainte, des formes alternatives de stockage d’énergie sont également nécessaires.
“Les batteries au lithium sont actuellement confrontées à une pression énorme en termes d’approvisionnement en matières premières”, a déclaré Prasher. “Nous pensons que le stockage d’énergie thermique peut être une alternative viable, durable et rentable aux autres formes de stockage d’énergie.”
Le stockage d’énergie thermique peut être déployé à différentes échelles, y compris dans des bâtiments individuels – comme votre maison, votre bureau ou votre usine – ou au niveau du district ou de la région. Alors que la forme la plus courante d’énergie thermique utilise de grands réservoirs d’eau chaude ou froide, il existe d’autres types de stockage de chaleur sensible, tels que l’utilisation de sable ou de roches pour stocker l’énergie thermique. Cependant, ces approches nécessitent de grands volumes d’espace, ce qui limite leur aptitude à l’habitation.
Du liquide au solide et vice-versa
Pour contourner cette contrainte, les scientifiques ont développé des matériaux de haute technologie pour stocker l’énergie thermique. Par exemple, les matériaux à changement de phase absorbent et libèrent de l’énergie lors de la transition entre les phases, comme du liquide au solide et inversement.
Les matériaux à changement de phase ont un certain nombre d’applications potentielles, notamment la gestion thermique des batteries (pour éviter qu’elles ne deviennent trop chaudes ou trop froides), les textiles avancés (pensez aux vêtements qui peuvent automatiquement vous garder au chaud ou au frais, obtenant ainsi un confort thermique tout en réduisant consommation d’énergie des bâtiments) et le refroidissement à sec des centrales électriques (pour conserver l’eau). Dans les bâtiments, des matériaux à changement de phase pourraient être ajoutés aux murs, agissant comme une batterie thermique pour le bâtiment. Lorsque la température ambiante dépasse le point de fusion du matériau, le matériau change de phase et absorbe de la chaleur, refroidissant ainsi le bâtiment. A l’inverse, lorsque la température descend en dessous du point de fusion, le matériau change de phase et libère de la chaleur.
Cependant, un problème avec les matériaux à changement de phase est qu’ils ne fonctionnent généralement que dans une plage de température. Cela signifie que deux matériaux différents seraient nécessaires pour l’été et l’hiver, ce qui augmente le coût. Berkeley Lab s’est attaché à surmonter ce problème et à obtenir ce que l’on appelle une « accordabilité dynamique » de la température de transition.
Deux manières différentes d’intégrer le stockage d’énergie thermique dans les bâtiments sont présentées. Une batterie thermique (alimentée par un matériau à changement de phase) peut être connectée à la pompe à chaleur d’un bâtiment ou à un système CVC traditionnel (à gauche), ou le matériau à changement de phase peut être incorporé à l’intérieur des murs. Crédit : Berkeley Lab
Dans un étude récemment publiée dans Cell Reports Physical Science, les chercheurs sont les premiers à obtenir une accordabilité dynamique dans un matériau à changement de phase. Leur méthode révolutionnaire utilise des ions et un matériau à changement de phase unique qui combine le stockage d’énergie thermique et le stockage d’énergie électrique, de sorte qu’il peut stocker et fournir à la fois de la chaleur et de l’électricité.
“Cette nouvelle technologie est vraiment unique car elle combine l’énergie thermique et électrique dans un seul appareil”, a déclaré Gao Liu, chef du groupe Applied Energy Materials, co-auteur de l’étude. « Il fonctionne comme une batterie thermique et électrique. De plus, cette capacité augmente le potentiel de stockage thermique en raison de la possibilité d’ajuster le point de fusion du matériau en fonction des différentes températures ambiantes. Cela augmentera considérablement l’utilisation de matériaux à changement de phase.
Kaur, également co-auteur de l’article, a ajouté : « Dans l’ensemble, cela permet de réduire les coûts de stockage car désormais le même matériel peut être utilisé toute l’année au lieu de seulement la moitié de l’année.
Dans la construction de bâtiments à grande échelle, cette capacité combinée de stockage d’énergie thermique et électrique permettrait au matériau de stocker l’excès d’électricité produit par les opérations solaires ou éoliennes sur site, pour répondre aux besoins thermiques (chauffage et refroidissement) et électriques.
Faire progresser la science fondamentale des matériaux à changement de phase
Une autre étude de Berkeley Lab plus tôt cette année a abordé le problème de la surfusion, qui n’est pas très froide dans certains matériaux à changement de phase car elle rend le matériau imprévisible, en ce sens qu’il peut ne pas changer de phase à la même température à chaque fois. Dirigé par Drew Lilley, assistant étudiant diplômé de Berkeley Lab et doctorant à l’UC Berkeley, l’étude, publié dans la revue Applied Energy, a été le premier à démontrer une méthodologie permettant de prédire quantitativement les performances de surfusion d’un matériau.
UNE troisième étude du Berkeley Lab, publié dans Applied Physics Letters cette année, décrit un moyen de développer une compréhension à l’échelle atomique et moléculaire du changement de phase, qui est essentiel pour la conception de nouveaux matériaux à changement de phase.
“Jusqu’à présent, la plupart des études fondamentales liées à la physique du changement de phase étaient de nature informatique, mais nous avons développé une méthodologie simple pour prédire la densité d’énergie des matériaux à changement de phase”, a déclaré Prasher. « Ces études sont des étapes importantes qui ouvrent la voie à une utilisation plus large des matériaux à changement de phase. »
Pommes aux pommes
UNE quatrième étude, qui vient d’être publié dans Energy & Environmental Science, développe un cadre qui permettra des comparaisons directes des coûts entre les batteries et le stockage d’énergie thermique, ce qui n’était pas possible jusqu’à présent.
“Il s’agit d’un très bon cadre pour comparer – pommes à pommes – batteries et stockage thermique”, a déclaré Kaur. « Si quelqu’un venait me voir et me demandait : « devrais-je installer un Powerwall (le système de batterie au lithium de Tesla pour stocker l’énergie solaire) ou un stockage d’énergie thermique », il n’y avait aucun moyen de les comparer. Ce cadre permet aux gens de comprendre le coût du stockage au fil des ans. »
Le cadre, qui a été développé avec des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory et du Oak Ridge National Laboratory, prend en compte les coûts à vie. Par exemple, les systèmes thermiques ont des coûts d’investissement inférieurs à installer, et la durée de vie des systèmes thermiques est généralement de 15 à 20 ans, tandis que les batteries doivent généralement être remplacées après huit ans.
Outil de simulation pour déployer le stockage d’énergie thermique dans les systèmes CVC des bâtiments
Enfin, un étudier avec des chercheurs de l’UC Davis et de l’UC Berkeley a démontré la faisabilité technico-économique du déploiement de systèmes CVC avec stockage d’énergie thermique basé sur des matériaux à changement de phase. L’équipe a d’abord développé une simulation des modèles et les outils nécessaires pour évaluer les économies d’énergie, la réduction de la charge de pointe et le coût d’un tel système. L’outil, qui sera mis à la disposition du public, permettra aux chercheurs et aux constructeurs de comparer l’économie des systèmes CVC avec stockage d’énergie thermique aux systèmes CVC tout électriques avec et sans stockage électrochimique.
« Ces outils offrent une opportunité sans précédent d’explorer l’économie des applications réelles du système HVAC intégré au stockage d’énergie thermique », a déclaré Spencer Dutton, chef de projet du Berkeley Lab. « L’intégration du stockage d’énergie thermique nous permet de réduire considérablement la capacité et donc le coût de la pompe à chaleur, ce qui est un facteur important de réduction des coûts du cycle de vie. »
Ensuite, l’équipe a développé un prototype de système CVC « prêt sur le terrain » pour les petits bâtiments commerciaux qui utilisaient à la fois des batteries thermiques froides et chaudes basées sur des matériaux à changement de phase. Un tel système déplace à la fois les charges de refroidissement et de chauffage hors du réseau électrique. Enfin, l’équipe déploie une démonstration sur le terrain à l’échelle résidentielle, en se concentrant sur l’électrification domestique et le déplacement des charges de chauffage et d’eau chaude domestique.
« Si vous pensez à la façon dont l’énergie est consommée dans le monde, les gens pensent qu’elle est consommée sous forme d’électricité, mais en fait, elle est principalement consommée sous forme de chaleur », a déclaré Noel Bakhtian, directeur exécutif du centre de stockage d’énergie de Berkeley Lab. « Si vous voulez décarboniser le monde, vous devez décarboniser les bâtiments et l’industrie. Cela signifie que vous devez décarboniser la chaleur. Le stockage d’énergie thermique peut y jouer un rôle important.
La recherche a été financée par le Buildings Technology Office de l’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du ministère de l’Énergie.
