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Le chaînon manquant
Dans le cadre de la transition vers un avenir sans carbone, il est essentiel de capturer l'énergie renouvelable pour une utilisation ultérieure. La société danoise Stiesdal Storage Technologies développe un système de stockage d'énergie thermique révolutionnaire qui permettra le stockage de l'énergie électrique de plusieurs heures à plusieurs semaines. L'entreprise s'est adressée à Atlas Copco pour le développement des turbomachines nécessaires au processus.
Dans de nombreuses régions du monde, la transition vers les énergies renouvelables est en cours. Cependant, la production d'énergie électrique propre et sans carbone par le biais de l'énergie éolienne et solaire dépend de la disponibilité de ces types d'énergie. Parfois, nous produisons trop d'énergie et devons nous débarrasser de cet excédent, mais en d'autres occasions, nous nécessitons plus d'énergie que ce qui est disponible.
Le défi consiste à réduire les déséquilibres entre la demande d'énergie et la production d'énergie.
Prenons l'exemple du Danemark, qui tire 50 % de son électricité de l'énergie éolienne exploitée par d'énormes éoliennes :
« Si nous installions une capacité éolienne de 50 %, la contribution de l'énergie éolienne serait d'environ 45 %. Mais si nous installions une capacité de 100 %, la contribution serait seulement de 60 % », explique Bo Birkemose, directeur des opérations de la société danoise de technologie climatique Stiesdal Storage Technologies, qui fait partie du groupe Stiesdal.
« Cela est dû au fait que nous n'avons pas besoin de toute l'énergie que nous produisons. Nous produisons plus que nécessaire et devons stopper la production, ou bien, parfois, nous ne pouvons pas produire autant que nécessaire. »
La solution de Stiesdal est un système de stockage d'énergie thermique pompée qui utilise la roche concassée chaude et froide comme support de stockage économique et sans carbone. Alors à la recherche d'une technologie de turbocompresseurs et de turbines de détente, nécessaires à l'application de cette solution, Stiesdal Storage Technologies s'est adressée à Atlas Copco il y a quelques années.
« Le stockage de l'électricité de GridScale est bon marché et simple à utiliser grâce à la grande quantité de pierres », explique Rasmus Rubycz, responsable du marché pour les énergies nouvelles de la division gaz et procédés d'Atlas Copco et membre de l'équipe Atlas Copco qui travaille sur ce projet avec Stiesdal Storage Technologies.
« Les batteries au lithium sont disponibles et sont de moins en moins chères, mais elles ne sont économiquement viables que pendant moins de 12 heures et sont vraiment performantes pendant seulement quatre heures » , ajoute Rasmus Rubycz.
L'hydrogène pourrait être une alternative pour un stockage très long et de grande quantité. Cependant, le rendement de conversion est très faible et le stockage de l'hydrogène sous sa forme pure est complexe et coûteux à grande échelle.
Le défi consiste à réduire les déséquilibres entre la demande d'énergie et la production d'énergie.
Prenons l'exemple du Danemark, qui tire 50 % de son électricité de l'énergie éolienne exploitée par d'énormes éoliennes :
« Si nous installions une capacité éolienne de 50 %, la contribution de l'énergie éolienne serait d'environ 45 %. Mais si nous installions une capacité de 100 %, la contribution serait seulement de 60 % », explique Bo Birkemose, directeur des opérations de la société danoise de technologie climatique Stiesdal Storage Technologies, qui fait partie du groupe Stiesdal.
« Cela est dû au fait que nous n'avons pas besoin de toute l'énergie que nous produisons. Nous produisons plus que nécessaire et devons stopper la production, ou bien, parfois, nous ne pouvons pas produire autant que nécessaire. »
Une nouvelle application d'un concept éprouvé
Stiesdal a un plan pour résoudre ce problème. Son système de stockage d'énergie GridScale repose sur une technologie simple et multiséculaire : le stockage d'énergie thermique. La solution de Stiesdal est un système de stockage d'énergie thermique pompée qui utilise la roche concassée chaude et froide comme support de stockage économique et sans carbone. Alors à la recherche d'une technologie de turbocompresseurs et de turbines de détente, nécessaires à l'application de cette solution, Stiesdal Storage Technologies s'est adressée à Atlas Copco il y a quelques années.
« Le stockage de l'électricité de GridScale est bon marché et simple à utiliser grâce à la grande quantité de pierres », explique Rasmus Rubycz, responsable du marché pour les énergies nouvelles de la division gaz et procédés d'Atlas Copco et membre de l'équipe Atlas Copco qui travaille sur ce projet avec Stiesdal Storage Technologies.
« Les batteries au lithium sont disponibles et sont de moins en moins chères, mais elles ne sont économiquement viables que pendant moins de 12 heures et sont vraiment performantes pendant seulement quatre heures » , ajoute Rasmus Rubycz.
L'hydrogène pourrait être une alternative pour un stockage très long et de grande quantité. Cependant, le rendement de conversion est très faible et le stockage de l'hydrogène sous sa forme pure est complexe et coûteux à grande échelle.
« La solution de Stiesdal écarte le problème lié à la batterie », poursuit Rasmus Rubycz. « Elle a seulement besoin d'acier, de pierre et d'une isolation mineure. Elle est respectueuse de l'environnement, utilise des matériaux facilement disponibles et comble l'écart entre les batteries et l'hydrogène. »
« Nous avions besoin d'un produit bon marché et facile à fabriquer, à transporter et à installer. Nous voulions que la mise en service et l'installation sur site soient très simples et rapides, comme pour les éoliennes, et ce pendant toutes les étapes de fabrication », explique Bo Birkemose. « Nous ne développons pas un simple projet de démonstration. Nous savons que cela fonctionne. Notre solution peut être mise en œuvre à grande échelle et en peu de temps. »
« Une collaboration ouverte et empreinte de confiance »
« Nous sommes une petite start-up, même si nous sommes déjà bien connus dans certains secteurs. Nous explorons aussi de nouveaux domaines. Une des préoccupations que certaines personnes pourraient avoir concerne les turbomachines, c'est pourquoi nous bénéficions ici de l'expertise et de la renommée d'Atlas Copco », explique Bo Birkemose.
« En ce qui concerne la collaboration stratégique, Atlas Copco bénéficie également de notre expérience en tant que référence dans le secteur de l'éolien depuis plusieurs décennies. Mais ce qui est remarquable, c'est qu'une petite entreprise comme la nôtre puisse collaborer avec une si grande entreprise et engager un dialogue fructueux où les compétences de chacun sont respectées. C'est une collaboration très ouverte et empreinte de confiance », ajoute Bo Birkemose.
Pour Harald Dany, responsable de la branche d'activité du stockage thermique de la division gaz et procédés d'Atlas Copco, la collaboration est « une belle histoire ».
« Stiesdal avait une idée à exploiter, mais une partie de la technologie nécessaire à sa réalisation lui manquait. Stiesdal recherchait une entreprise pouvant l'aider à développer les machines nécessaires pour concrétiser cette idée », explique Harald Dany. « C'est là que nous intervenons. Nous aidons nos clients à dépasser les limites de leur technologie et à la développer en fonction des demandes du client. »
Que se passe-t-il par la suite ?
Le processus de développement est en cours depuis 2019. Hanna Hörmeyer, ingénieure produit de la division gaz et procédés d'Atlas Copco, explique que les principaux défis de l'équipe de recherche et développement concernent l'impact que les températures de fonctionnement élevées peuvent avoir sur des turbomachines de cette taille.
« Le défi consistait à développer des turbomachines de cette taille adaptées à des températures aussi élevées. Tout a commencé avec la conception aérodynamique, puis nous avons commencé la conception mécanique, où nous nous sommes concentrés sur l'impact que ces températures élevées peuvent avoir sur la conception et le matériau lui-même », explique Hanna Hörmeyer.
« De nombreux défis doivent être pris en compte, mais c'est une excellente manière d'utiliser l'énergie renouvelable de manière beaucoup plus efficace. C'est une solution très prometteuse qui nous rapproche un peu plus de nos objectifs environnementaux. Je suis très heureuse de travailler sur ce projet. »
Stiesdal Storage Technologies a pour objectif d'installer des prototypes d'usines dans un certain nombre de sites mondiaux en 2022, avant la première itération commerciale en 2023. La première usine de démonstration est actuellement en cours d'installation sur l'île riche en énergies renouvelables de Lolland, au large du Danemark en mer Baltique. Elle recevra l'excédent d'électricité provenant des parcs solaires et éoliens de l'île.
Bo Birkemose discerne différents segments de clientèle potentiels, par exemple dans des endroits isolés éloignés des réseaux, tels que les parcs éoliens situés loin de la population, ou dans les mines qui dépendent encore beaucoup de groupes électrogènes diesel.
« Ce qui fait la beauté de notre choix de technologie est en fait son manque de technologie », explique Bo Birkemose. « Il s'agit d'un concept éprouvé qui peut être développé en peu de temps. Ce qui nous anime, c'est la conviction que les technologies sur lesquelles nous travaillons contribueront de manière significative à un avenir meilleur et plus écologique. »
La technologie GridScale s'appuie sur deux inventions majeures du 19e siècle : le cycle de Brayton, qui constitue la base de la turbine à gaz classique, et le cycle de Carnot, une norme de performance de tous les moteurs thermiques fonctionnant avec une température élevée et une température basse. L'idée d'adapter ces principes établis pour créer un nouveau concept de stockage de chaleur vient d'Henrik Stiesdal, le fondateur visionnaire de l'entreprise éponyme.
GridScale peut être décrit comme un système de pompe à chaleur qui transporte l'énergie entre un nombre variable (selon la capacité choisie) de réservoirs distincts pour stocker respectivement la chaleur et le froid.
Étant donné que la température maximale du réservoir de stockage froid est beaucoup plus basse que dans le réservoir de stockage chaud, le réservoir froid peut utiliser pratiquement n'importe quel type de roche concassée. Pour le stockage à chaud, la seule exigence concerne la capacité des roches à résister à des températures élevées, ce qui est le cas de nombreux types de roches.
Les matériaux de stockage de roches concassées ne subissent aucune dégradation et la capacité de stockage de la plaque signalétique GridScale est disponible pendant toute la durée de vie du système.
La gamme GridScale offre à la fois la durée de 12 à 18 heures requise pour le lissage quotidien de l'énergie solaire et la durée de trois à sept jours requise pour le lissage de l'énergie éolienne pendant les interstices causés par des périodes de vent faible.
« Si nous suivons l'exemple du Danemark et que nous installons une capacité de stockage thermique d'un jour, nous augmenterons la quantité d'électricité utilisable à 75 % », explique Bo Birkemose, directeur des opérations de Stiesdal Storage Technologies