Pleins feux sur le stockage de la chaleur

À l’heure du changement climatique et de l’augmentation des coûts de l’énergie, les solutions innovantes pour une utilisation efficace et durable de l’énergie dans les zones urbaines prennent de plus en plus d’importance. Les accumulateurs de chaleur constituent une technologie clé dans ce contexte. Ces systèmes permettent de stocker l’énergie thermique et de la restituer en cas de besoin, ce qui présente des avantages à la fois économiques et écologiques.

Les accumulateurs de chaleur sont des installations techniques qui servent à stocker de l’énergie thermique pendant une période donnée et à la restituer en cas de besoin. Ils jouent un rôle central dans l’utilisation efficace de l’énergie thermique en compensant les différences temporelles entre la production et la consommation de chaleur.

Principes de fonctionnement des accumulateurs de chaleur

Il existe différents types d’accumulateurs de chaleur qui reposent sur des principes physiques différents :

• Accumulateurs de chaleur sensibles : ils utilisent la capacité des matériaux à absorber ou à libérer de la chaleur en cas de changement de température. En raison de sa capacité thermique spécifique élevée, l’eau est le milieu le plus souvent utilisé pour les accumulateurs de chaleur sensibles.
• Accumulateurs de chaleur latente : ces accumulateurs utilisent le changement de phase des matériaux (par ex. de solide à liquide) pour stocker l’énergie. La chaleur de fusion du matériau est alors utilisée, ce qui permet d’obtenir une densité énergétique plus élevée.
• Accumulateurs thermochimiques : ici, l’énergie est stockée dans des liaisons chimiques. Lors de la récupération de la chaleur, des réactions chimiques réversibles se produisent.

Domaines d’application des accumulateurs de chaleur en milieu urbain

Les accumulateurs de chaleur trouvent de nombreuses applications dans les zones urbaines :

• Dans les bâtiments pour optimiser les systèmes de chauffage et d’eau chaude.
• Dans les réseaux de chauffage urbain pour lisser la charge et augmenter l’efficacité
• Dans les processus industriels pour l’utilisation de la chaleur résiduelle
• En combinaison avec des énergies renouvelables pour une meilleure intégration dans le système énergétique

Accumulateur à court terme

Les accumulateurs à court terme servent à stocker la chaleur pendant des heures ou des jours. Les exemples typiques sont :

• Accumulateurs tampons : ils sont utilisés dans les installations de chauffage pour compenser les fluctuations de courte durée entre la production et la consommation de chaleur.
• Accumulateurs d’eau chaude : ils fournissent de l’eau chaude pour l’usage quotidien et peuvent être couplés à différentes sources de chaleur.

Accumulateur longue durée

Les accumulateurs à long terme permettent de stocker de la chaleur pendant des semaines, voire des mois. Ils jouent un rôle important dans le stockage saisonnier de l’énergie :

• Accumulateur de chaleur à sondes géothermiques : il s’agit de stocker la chaleur dans des couches profondes de la terre et de l’extraire au moyen de pompes à chaleur en cas de besoin.
• Les réservoirs aquifères : ils utilisent des couches d’eau souterraines pour stocker la chaleur.
• Grands réservoirs d’eau : dans certaines villes, des réservoirs d’eau massifs et isolés sont utilisés pour le stockage saisonnier de la chaleur.

Des technologies de stockage innovantes

La recherche travaille en permanence sur de nouvelles technologies permettant de stocker la chaleur plus efficacement :

• Accumulateurs de chaleur latente à haute température : ils utilisent des mélanges salins spéciaux et permettent de stocker la chaleur à très haute température.
• Accumulateurs thermochimiques avec des zéolithes : ces matériaux peuvent stocker la chaleur sur de longues périodes pratiquement sans pertes.
• Matériaux à changement de phase (PCM) : Matériaux innovants qui peuvent absorber ou libérer de grandes quantités de chaleur lors du changement de phase.

Manque d’espace et restrictions architecturales

L’un des principaux défis dans les zones urbaines denses est l’espace limité pour l’installation de systèmes de stockage de chaleur. Les grands réservoirs saisonniers, en particulier, nécessitent des surfaces considérables qui ne sont souvent pas disponibles dans les villes. Les solutions possibles comprennent :

• L’intégration de réservoirs dans les structures de bâtiments existantes.
• L’utilisation d’espaces souterrains pour les installations de stockage
• Le développement de technologies de stockage plus compactes avec une densité énergétique plus élevée.

Complexité technique et intégration des systèmes

L’intégration du stockage de la chaleur dans les systèmes énergétiques existants nécessite souvent des solutions techniques complexes :

• Adaptation de l’hydraulique dans les systèmes de chauffage
• Intégration dans les systèmes de gestion des bâtiments et de gestion de l’énergie
• Coordination avec d’autres sources et consommateurs d’énergie

Rentabilité et coûts d’investissement

L’investissement initial élevé pour les systèmes de stockage de la chaleur peut constituer un obstacle :

• Longue période d’amortissement, en particulier pour les grands systèmes de stockage saisonniers.
• Incertitudes quant aux prix futurs de l’énergie et aux programmes de soutien financier
• Nécessité de modèles de financement et de concepts d’exploitation innovants

Aspects réglementaires et juridiques

L’intégration de systèmes de stockage de chaleur dans les systèmes énergétiques urbains peut être rendue difficile par le cadre juridique et réglementaire :

• Procédure d’autorisation pour les grandes installations de stockage
• Droits de propriété et accords d’utilisation pour les solutions à l’échelle du quartier
• Adaptation des lois sur l’énergie et des directives sur les subventions

Réduction de l’effet Urban Heat Island

Les accumulateurs de chaleur peuvent contribuer à réduire l’effet Urban Heat Island :

• absorption de la chaleur excédentaire de l’environnement pendant les périodes de chaleur
• Utilisation de la chaleur stockée pour le chauffage pendant les périodes plus fraîches, ce qui réduit la demande totale d’énergie.
• Couplage avec des systèmes de refroidissement pour une climatisation efficace des bâtiments.

Gestion de la charge et stabilité du réseau

Grâce à leur capacité à stocker la chaleur et à la restituer en cas de besoin, les accumulateurs de chaleur contribuent à stabiliser les réseaux énergétiques :

• Compenser les charges de pointe dans le réseau électrique en déplaçant la demande de chaleur.
• Permettre une utilisation plus flexible des énergies renouvelables
• Améliorer l’efficacité globale du système énergétique

Amélioration de la qualité de l’air

Indirectement, le stockage de la chaleur peut également contribuer à améliorer la qualité de l’air en ville :

• réduction de la demande en combustibles fossiles pour le chauffage
• Réduction des émissions grâce à une utilisation plus efficace de l’énergie
• Soutien à l’électrification du secteur de la chaleur

Concepts de quartier avec stockage de chaleur intégré

Les concepts modernes de développement urbain misent de plus en plus sur des solutions énergétiques à l’échelle du quartier :

• Accumulation centrale de chaleur pour plusieurs bâtiments
• Combinaison de différentes technologies de stockage pour une efficacité optimale
• Intégration des accumulateurs de chaleur dans les réseaux de chaleur de proximité

Couplage de secteurs et power-to-heat

L’association de différents secteurs énergétiques ouvre de nouvelles possibilités :

• Utilisation de l’électricité excédentaire issue de sources renouvelables pour la production et le stockage de chaleur.
• Systèmes bidirectionnels chaleur-électricité avec pompes à chaleur et stockage de chaleur
• Intégration de véhicules électriques comme stockage mobile d’énergie

Réseaux intelligents et commande numérique

La numérisation permet une commande intelligente des systèmes de stockage de chaleur :

• Commande prédictive basée sur les prévisions météorologiques et les modèles de consommation.
• Intégration dans des systèmes smart home pour une utilisation optimisée
• Agrégation de nombreux petits réservoirs en grands réservoirs virtuels

Hambourg : stockage saisonnier de chaleur dans un bunker énergétique

À Hambourg, un ancien bunker antiaérien a été transformé en un centre énergétique innovant :

• Accumulateur d’eau chaude d’une capacité de 2 millions de litres
• Approvisionnement en chaleur de plus de 800 logements
• Combinaison de l’énergie solaire thermique, du biogaz et de la chaleur résiduelle industrielle

Munich (Allemagne) : Géothermie et stockage de chaleur

Munich mise sur la combinaison de la géothermie et de grands accumulateurs de chaleur :

• Plusieurs installations géothermiques dans la zone urbaine
• Grands réservoirs tampons pour une utilisation optimale de la chaleur géothermique
• Objectif : un chauffage urbain entièrement renouvelable d’ici 2040

Vienne : gestion intelligente de la charge avec des accumulateurs de chaleur

À Vienne, des accumulateurs de chaleur sont utilisés pour optimiser le réseau de chauffage urbain :

• Stockage important à des points stratégiques du réseau.
• Gestion dynamique pour lisser la charge et augmenter l’efficacité
• Intégration de la chaleur résiduelle des processus industriels et de l’incinération des déchets

Accumulateur de chaleur à haute température

Le développement d’accumulateurs de chaleur à haute température ouvre de nouvelles possibilités d’application :

• stockage de chaleur industrielle
• Augmentation de la densité énergétique et de l’efficacité
• Nouveaux matériaux pour des températures supérieures à 1000°C

Couplage avec le captage de CO2

Des concepts innovants combinent le stockage de la chaleur avec le captage du CO2 :

• Utilisation de la chaleur d’absorption lors de la séquestration du CO2
• Développement de matériaux de stockage capables de capter simultanément le CO2
• Intégration dans des concepts de décarbonisation des processus industriels

Intelligence artificielle et apprentissage automatique

L’utilisation des technologies d’IA promet de nouveaux gains d’efficacité :

• Optimisation de la gestion du stockage grâce à des algorithmes d’auto-apprentissage
• Amélioration des prévisions de la demande et de la production de chaleur
• Diagnostic d’erreurs automatisé et maintenance prédictive

Les accumulateurs de chaleur jouent un rôle central dans la transformation des systèmes énergétiques urbains vers plus de durabilité et d’efficacité. Ils offrent de multiples solutions aux défis posés par le changement climatique et la transition énergétique. En particulier dans le contexte des problèmes de chaleur urbaine, les accumulateurs de chaleur peuvent apporter une contribution importante à l’amélioration du climat urbain et de la qualité de vie.

Cependant, l’intégration réussie du stockage de chaleur dans les concepts énergétiques urbains nécessite une approche globale. Les innovations technologiques doivent s’accompagner de cadres réglementaires adaptés, de nouveaux modèles commerciaux et d’une coopération accrue entre les différents acteurs. Les villes et les municipalités sont appelées à développer des stratégies à long terme qui prennent en compte le stockage de chaleur en tant que partie intégrante des systèmes énergétiques durables.

Avec les progrès technologiques et l’expérience croissante dans la planification et l’exploitation de grands systèmes de stockage, les accumulateurs de chaleur joueront à l’avenir un rôle encore plus important dans l’approvisionnement énergétique urbain. Ils constituent un élément clé pour la réalisation de villes climatiquement neutres et contribuent de manière décisive à relever les défis du changement climatique dans les zones urbaines.