La poudre ressemble à de la farine. Mais c'est un accumulateur d'énergie. Du moins, si l'on en croit l'ingénieur environnemental Matthias Schmidt. Ce que le chercheur agite dans le récipient en verre qu'il tient à la main, c'est de la chaux. Si les plans de Schmidt fonctionnent, les ménages stockeront à l'avenir plusieurs mètres cubes de chaux dans leur cave au lieu d'avoir un chauffage au gaz.

Car la chaux permet de stocker de l'énergie sans impact sur le climat. Au Centre aérospatial allemand (DLR), Schmidt mène des recherches sur cette idée depuis plus de dix ans. « Je peux tout simplement laisser la chaux à température ambiante, pendant des mois », explique-t-il. En été, lorsque l'électricité issue des énergies renouvelables est disponible en abondance, l'accumulateur de chaux pourrait se recharger - puis restituer l'énergie en hiver sous forme de chaleur de chauffage.

La question de savoir quelles technologies permettent de stocker l'énergie à long terme est fondamentale pour la réussite de la transition énergétique. L'année dernière, plus d'un cinquième de l'énergie totale consommée en Allemagne provenait des énergies renouvelables, un chiffre jamais atteint auparavant. Pourtant, il y a un hic : les énergies renouvelables ne produisent de l'énergie que lorsque le vent souffle et que le soleil brille. Mais on a aussi besoin d'électricité quand ce n'est pas le cas.

Pour l'instant, les centrales à charbon et à gaz prennent le relais. Mais à l'avenir, l'industrie et les ménages devront recourir à l'électricité stockée pour pallier les « périodes creuses ». L'Institut Fraunhofer pour la recherche sur les systèmes et l'innovation a calculé que l'Allemagne aura besoin d'ici 2045 de capacités de stockage pouvant atteindre 71 térawattheures (TWh), ce qui correspondrait à 15 % de la consommation annuelle d'électricité.

Le stockage de l'énergie en dehors de l'hydrogène

Les batteries lithium-ion, également utilisées dans les smartphones, les ordinateurs portables et les voitures électriques, sont actuellement considérées comme la technologie de stockage dominante sur le marché. Pourtant, elles sont les mieux adaptées au stockage d'électricité à court terme, pendant quelques heures. Burak Atakan, chimiste et professeur de thermodynamique à l'université de Duisburg Essen, déclare : « Il n'existe actuellement pas de technologie de stockage unique et parfaite ». A l'avenir, il faudra différentes solutions de stockage, en fonction de l'application.

« Pour pouvoir stocker l'énergie renouvelable à long terme, nous avons besoin de réservoirs chimiques », ajoute Katharina Kohse-Höinghaus, professeur senior de chimie physique à l'Université de Bielefeld. En effet, les matériaux qui stockent l'énergie sous forme de composés chimiques peuvent la conserver aussi longtemps que nécessaire - sans perte d'énergie.

Parmi les accumulateurs chimiques, l'hydrogène et les e-fuels sont actuellement très demandés, mais ils présentent aussi des inconvénients. Leur production et leur transport sont complexes et coûteux. C'est pourquoi les scientifiques d'instituts en Allemagne et dans le monde entier étudient les autres sources d'énergie possibles.

L'accent est mis sur les métaux comme le fer, mais aussi sur les produits chimiques comme le soufre et les roches comme la chaux. Les matériaux sont bon marché et ont fait leurs preuves, les réactions chimiques sont en partie connues depuis des décennies - une mise en œuvre à l'échelle industrielle n'a toutefois pas encore été testée.

Un chauffage sans impact sur le climat grâce à la chaux

Le chauffage à la chaux, sur lequel Matthias Schmidt effectue des recherches au DLR, n'est pas à proprement parler un réservoir chimique, mais thermochimique. Au début du cycle, il y a de l'oxyde de calcium, également appelé chaux vive, explique Schmidt. Si on y ajoute de l'eau, on obtient de la chaux éteinte, de l'hydroxyde de calcium. Il en résulte une chaleur pouvant atteindre 100°C, ce qui est suffisant pour chauffer une maison.

La chaux éteinte permet de stocker à nouveau de l'énergie en chauffant la chaux à l'aide d'électricité verte et en laissant échapper de l'eau. La chaux éteinte redevient ainsi de la chaux vive. Dans des conditions optimales, le processus a un rendement de 90%.

Si l'on ajoute de la vapeur d'eau à la place de l'eau au début, on peut même obtenir des températures allant jusqu'à 500°C. L'industrie pourrait ainsi potentiellement obtenir de la chaleur industrielle.

La chaux est bon marché et disponible, le processus est réversible à volonté. De plus, Schmidt suppose que l'électricité nécessaire à la recharge ne coûterait presque rien, car l'accumulateur peut être rechargé lorsqu'il y a un surplus d'électricité. Cela rend l'accumulateur de chaleur Kalk attractif. Des messages arrivent régulièrement dans la boîte aux lettres électronique de Schmidt, dans lesquels les personnes intéressées demandent : « Comment puis-je installer le chauffage à la chaux dans ma maison » ?

La calcination de la chaux est certes un processus étudié depuis longtemps. Mais il y a des raisons pour lesquelles les bâtiments d'habitation allemands ne sont pas encore équipés de chauffage à la chaux. Par exemple, une maison individuelle devrait stocker six mètres cubes de chaux pour couvrir ses besoins en chaleur pendant un mois d'hiver. Cela correspond à un débarras de 2,4 m² rempli de chaux jusqu'en haut. « L'espace nécessaire est un inconvénient », admet Schmidt.

Il faudra encore du temps avant que le produit soit commercialisé. Mais le groupe de recherche veut installer son système de démonstration dans un bâtiment normal cette année encore et le relier au système de chauffage.

L'expert en stockage d'énergie Michael Sterner, professeur à l'Université Technique de Ratisbonne en Bavière de l'est, estime que la proposition est intéressante. « Mais comme il s'agit d'une technique de chauffage entièrement nouvelle, il reste de nombreuses questions pratiques ». Il faut une nouvelle chambre de combustion, un réservoir de chaux, un réservoir d'eau et un système de dosage sophistiqué pour la chaux, selon Sterner.

Le fer pourrait remplacer le charbon comme source d'énergie

La chimiste Katharina Kohse-Höinghaus en est convaincue : « Si je veux un grand changement rapide dans le changement climatique, je dois aussi utiliser les infrastructures existantes ». C'est pourquoi des chercheurs de l'université technique de Darmstadt ont réfléchi à l'infrastructure fossile existante qui pourrait être transformée à l'avenir - et ont atterri dans d'anciennes usines à charbon. Ils veulent y transformer le fer en électricité.

L'ingénieur Marius Schmidt déclare : « Le fer a le potentiel de remplacer le charbon comme source d'énergie ». Il est directeur du projet de cluster « Clean Circles », auquel travaillent, outre l'Université Technique de Darmstadt, six autres instituts de recherche, dont l'Institut de Technologie de Karlsruhe.

L'idée des chercheurs : lorsque la poudre de fer est enflammée, elle brûle. L'oxydation libère de l'énergie sous forme de chaleur. Celle-ci peut être transformée en électricité verte au moyen d'une turbine à vapeur. La combustion du fer pourrait avoir lieu dans d'anciennes centrales à charbon, car celles-ci disposent déjà de l'infrastructure nécessaire.

L'oxyde de fer produit peut ensuite être réduit avec de l'hydrogène issu de l'électricité verte. Le fer ainsi obtenu sert à nouveau de réservoir d'énergie. Le processus peut théoriquement être répété à l'infini. De plus, le fer dispose d'une densité énergétique élevée.

« Le rendement est d'environ 30 % et est comparable à celui de l'hydrogène vert », explique Marius Schmidt. Le processus devrait être testé dans une installation pilote avant la fin de l'année. L'optimisation du processus de combustion constitue encore un obstacle.

Une autre possibilité serait de ne pas produire d'électricité à partir de l'accumulateur de fer, mais de produire de l'hydrogène. Le fer réagit alors avec l'eau et il en résulte de l'oxyde de fer, de l'hydrogène et de la chaleur. Avec ce procédé, la start-up Ambartec prévoit d'approvisionner dès l'année prochaine des clients en hydrogène à partir de pellets de fer.

Les chercheurs estiment que l'électricité pourrait être stockée de cette manière dès le début des années 2030. Plus l'électricité est bon marché et plus le prix du CO2 est élevé, plus le stockage de fer est économiquement rentable. Avec un prix de l'électricité très avantageux d'un centime par kilowattheure (kWh) et un prix du CO2 de 100 EUR, le stockage du fer serait plus avantageux que la combustion du charbon. Actuellement, le prix du marché européen des émissions est de 73 EUR par tonne de CO2.

L'ingénieur Sterner estime que le projet est prometteur, mais fait remarquer que « nous sommes en train de construire une économie de l'hydrogène ». Il n'est pas certain que le fer soit à l'avenir moins cher que l'hydrogène et ses dérivés. Actuellement, le prix d'un mégawattheure (MWh) d'hydrogène vert se situe entre 80 EUR et 250 EUR, selon les calculs. Si des énergies vertes bon marché et une électrolyse moderne de l'hydrogène sont utilisées à grande échelle pour le cycle du fer, un prix de 130 EUR à 185 EUR par MWh pourrait s'établir à l'avenir.

« L'efficacité n'est pas le seul critère à prendre en compte dans la recherche de solutions de stockage de l'énergie », explique le chimiste Atakan. Le savoir-faire existant et la réutilisation des matériaux sont tout aussi importants - et la société doit également accepter la solution.

« Nous ne considérons pas le fer, et les métaux en général, comme un concurrent de l'hydrogène, mais comme un complément », explique Marius Schmidt de l'Université Technique de Darmstadt. Dans le domaine de la recherche, on ne sait pas encore très bien quelles sources d'énergie s'imposeront. Selon Schmidt, de nouveaux projets de recherche sur les métaux en tant qu'accumulateurs d'énergie voient actuellement le jour toutes les quelques semaines dans le monde.

Source : Handelsblatt, le 15 mai 2024.