Le stockage de l’énergie avec une batterie à sable

publié le 25/08/2023 | mis à jour le 26/08/2024 | par Mareva Gobbini

Qu’est-ce que la batterie au sable qui nous vient de Finlande ?

Utiliser du sable pour stocker de l’énergie ? Cette idée ingénieuse, on la doit à la start-up finlandaise Polar Night Energy en association avec le fournisseur d’énergie Vatajankoski, avec la création de la batterie à sable. Créé en juillet 2022, ce dispositif de stockage de l’énergie permet d’emmagasiner de la chaleur et de la redistribuer pour alimenter les systèmes de chauffage de bâtiments.

La batterie à sable est un outil de stockage de l’énergie thermique innovant, dont les objectifs sont de pouvoir :

• convertir l’électricité verte en chaleur. Cette électricité verte est produite en surplus par les énergies renouvelables (solaire, éolien) et est non utilisée par faute de moyen de stockage durable et fiable ;
• stocker la chaleur produite dans un support avec une bonne inertie thermique pour un usage ultérieur ;
• disposer d’une énergie thermique pour le réseau de chauffage de bâtiments, ou pour alimenter le réseau de vapeur d’eau chaude et de chaleur pour le cycle de production industriel.

« Chaque fois qu’il y a une forte augmentation de l’électricité verte disponible, nous voulons être en mesure de la stocker très rapidement », déclare Markku Ylönen, l’un des deux fondateurs de Polar Night Energy.

Comment fonctionne le stockage d’énergies renouvelables dans une batterie à sable ?

Voyons concrètement comment marche cette batterie de stockage révolutionnaire pour les énergies vertes.

Mode de fonctionnement du système de stockage au sable

Une batterie au sable est une grande cuve semblable visuellement à un silo à grains. Sa taille moyenne de quatre mètres de large sur sept de haut ainsi que sa structure isolée permettent d’entreposer en moyenne près de 100 tonnes de sable.

Schématiquement, on peut décomposer le cycle de production de chaleur d’une batterie à sable comme suit :

1. l’énergie électrique produite en excédent par les panneaux photovoltaïques ou les éoliennes est dirigée à l’intérieur du silo de stockage par un circuit d’air fermé ;
2. des résistances électriques alimentées par l’énergie renouvelable, chauffent et font monter la température de l’air ;
3. cette chaleur produite fait monter en température le sable de la cuve ;
4. des réseaux de transfert de chaleur installés dans le sable assurent le transport de l’énergie thermique stockée vers le système de chauffage auquel il est raccordé ;
5. ledit système de chauffage urbain diffuse la chaleur délivrée par la batterie au sable pour alimenter des bâtiments publics, une usine, une piscine municipale, etc.

L’énergie thermique du sable dans la cuve est contenue à une température de 600 °C maximum par un système de régulation extérieur.

Ce dispositif de régulation automatisé est composé d’un ventilateur, d’un échangeur de chaleur ou d’un générateur de vapeur. Sans ce système, le sable qui a un fort pouvoir calorifique, peut monter, voire dépasser les 1 000 °C. Cette régulation permet de protéger les matériaux de la cuve moins résistants que le sable.

Le sable, un choix de matériau économique et énergétique intéressant ?

Le sable utilisé par la batterie de stockage est un type de sable local qui ne sert pas à la construction (mortier, béton). Ce matériau cumule plusieurs avantages :

• il a un très bon pouvoir calorifique qui lui permet d’atteindre une température entre 600 °C et 1 000 °C, voire supérieure ;
• le sable a une excellente inertie thermique. Il conserve la chaleur emmagasinée pendant une longue période, de quelques semaines à quelques mois. À titre d’exemple, la première batterie de stockage installée dans la ville de Kankaanpää en Finlande a un cycle de stockage d’une durée de 2 semaines en moyenne. Le constructeur indique toutefois que la durée de stockage dépend de la capacité de la batterie ainsi que des conditions d’isolation ;
• le sable est aussi un matériau bon marché contrairement au lithium ou au cobalt contenu dans les batteries classiques. Le constructeur indique que le coût d’investissement d’une batterie à sable est inférieur à 10 €/kWh de capacité de stockage contre 135 €/kWh pour une batterie standard au lithium !

Dans un contexte tendu sur le marché des matières premières depuis 2021, le choix du sable comme matériau de la batterie de stockage s’avère une solution économique et énergétique judicieuse.

La batterie à sable stocke quel type d’énergie thermique ?

La technologie de la batterie de stockage au sable permet de convertir principalement le surplus de production de l’électricité verte issue des systèmes de production d’énergies renouvelables installées à grande échelle :

• de panneaux photovoltaïques ;
• d’éoliennes verticales ou horizontales.

D’autre part, le champ d’application de la batterie de stockage s’étend aussi à la récupération de la chaleur produite par procédés industriels. Typiquement, on retrouve la chaleur produite par les serveurs informatiques ou celle des usines lors de leur phase de production. Cette énergie thermique non utilisée est récupérée puis injectée directement dans le réseau de transfert de chaleur du silo de stockage.

Enfin, il est possible d’acheter l’électricité sur le réseau lorsque le prix du kWh est le moins cher et d’utiliser la chaleur obtenue par conversion pour un usage ultérieur. Par exemple en période de grand froid, lorsque les besoins en chauffage sont importants.

La capacité de la batterie à sable peut-elle couvrir les besoins en chauffage d’un logement d’habitation ?

Depuis sa mise sur le marché en juillet 2022, la batterie de stockage pour les énergies vertes est exclusivement destinée à un usage à grande échelle.

On retrouve ainsi parmi les clients de Polar Night Energy des collectivités ainsi que des industriels ou des entreprises. Toutefois, l’usage de la batterie à sable peut aussi convenir à l’alimentation en chaleur de bâtiments commerciaux ou résidentiels. Il est donc possible d’installer une batterie à sable dans une copropriété d’une certaine taille.

Sachez que les capacités de stockage des batteries de sable commercialisées se situent entre :

• 2 MW pour une puissance de chauffage de 200 MWh ;
• 10 MW pour une puissance de chauffage de 730 MWh.

La première batterie à sable installée dans la ville de Kankaanpää dispose d’une capacité de stockage de 8 MWh pour une puissance de chauffage de 100 kWh. Le système de stockage installé permet ainsi de couvrir les besoins du chauffage urbain de la ville, soit les bâtiments publics, la piscine municipale, etc.

L’efficacité énergétique de la batterie au sable : 95 % d’énergie restituée !

D’après Polar Night Energy, la solution de batterie à sable a une efficacité énergétique de 95 % en moyenne (pour les silos d’une capacité de 10 MW et un cycle de stockage de 2 semaines). La technologie de stockage n’est pas efficace à 100 % en raison de multiples facteurs de variation :

• la conductivité thermique du sable, qui n’est pas aussi importante que celle de l’eau. L’énergie thermique contenue dans le sable situé au cœur du silo a du mal à se propager aux parties extérieures ;
• la taille du noyau du silo de stockage, qui dépend du volume dudit silo. Plus le noyau est grand, plus l’énergie thermique stockée est importante. L’installation des batteries à sable est réalisée dans des entrepôts d’une taille entre une centaine et des milliers de mètres cubes ;
• le niveau d’isolation de la batterie, qui dépend du lieu d’installation du silo. La batterie au sable peut être installée en extérieur, mais le système de stockage gagne en efficacité énergétique en étant enfoui dans le sous-sol. L’isolation naturelle offerte par le sol permet d’augmenter la durée de stockage de la chaleur.

La batterie à sable, une solution de stockage écologique

Selon les constructeurs, le cycle de stockage de chaleur de batterie au sable ne génère qu’une quantité minime de CO₂ (dioxyde de carbone). Les principales sources de pollution seraient issues de l’empreinte carbone des matériaux de construction du silo et de l’énergie verte utilisée. À noter que lesdits matériaux de construction ainsi que le sable de stockage ne contiennent ni ne rejettent de substances dangereuses pour la santé.

« On peut dire que la chaleur extraite de notre stockage est aussi propre que l’était l’électricité injectée dans le stockage. » (Source Polar Night Energy).

Selon une étude de l’organisme Mission Innovation, une initiative mondiale dont la mission est de rendre l’énergie renouvelable abordable et accessible, le développement de la batterie de stockage au sable permettrait d’économiser jusqu’à 283 mégatonnes d’équivalent CO₂ chaque année à l’horizon 2030. Soit la moitié des émissions de CO₂ annuelles de la France !

Pourquoi est-ce essentiel de stocker l’énergie renouvelable produite ?

La technologie du stockage de chaleur est conçue pour remédier principalement au problème numéro un des énergies renouvelables : leur caractère intermittent qui ne cadre pas forcément avec les besoins et l’absence de solution de stockage.

En effet, toute énergie renouvelable, qu’elle soit solaire ou éolienne, est dépendante des conditions climatiques : taux d’ensoleillement, présence et force du vent. Ainsi, un bon taux d’ensoleillement en hausse en période estivale ou des journées venteuses font augmenter le niveau de production des énergies renouvelables. Et inversement.

L’idée de la batterie de stockage à sable est donc de convertir l’électricité verte produite en surplus en énergie thermique (chaleur), afin de la stocker puis de la délivrer en décalé lors des pics de consommation en hiver.

La batterie à sable, une solution d’avenir pour la transition énergétique ?

Le système ingénieux de la batterie à sable est un outil tout désigné pour faire avancer la transition énergétique dans le monde. L’engouement par rapport aux énergies renouvelables est actuellement limité dans son développement. En cause, le caractère non stockable des énergies vertes.

Or, l’utilisation d’une batterie au sable pourrait remédier à certains écueils de notre système énergétique actuel :

• éviter le gaspillage énergétique d’un surplus de production d’énergies vertes ;
• profiter d’un système de stockage vertueux pour l’environnement qui participe à la lutte contre le réchauffement climatique ;
• disposer d’une réserve d’énergie thermique sûre pour couvrir ses besoins énergétiques ;
• réduire sa facture de chauffage en utilisant l’énergie stockée lorsque les besoins sont importants (les pics de consommation) ;
• avoir une solution alternative au moyen de production de chaleur issue des énergies fossiles (chaudières à gaz, au fioul, charbon) ;
• réduire sa dépendance aux énergies fossiles et gagner en autonomie énergétique ;
• ne plus dépendre des prix des combustibles et de l’électricité ;
• profiter de la totalité de la production d’électricité verte du parc solaire ou éolien sans vente du surplus. Il serait ainsi possible d’atteindre l’autoconsommation totale photovoltaïque ou éolienne.

En résumé, une batterie de stockage peut être une solution de stockage de l’énergie éolienne ou solaire innovante dans un contexte de crise énergétique mondiale.