[Mag Intersections #5] Dossier Les Intelligences : Valoriser la chaleur perdue

Dans la vie quotidienne, l’énergie se manifeste à travers de nombreux phénomènes visibles : le ruissellement de la Têt, la chute d’une feuille, le déplacement d’un véhicule, ou encore la rotation des pales d’une éolienne. Mais la chaleur, qui constitue l’une des formes d’énergie, demeure souvent invisible, diffuse, presque insaisissable. Cette chaleur, qu’elle soit issue du rayonnement solaire, produite par les êtres vivants ou dégagée par le fonctionnement d’un appareil ou d’un procédé industriel, est en général non exploitée, et dissipée dans l’air ou dans le sol. Pourtant, elle représente près de la moitié des besoins énergétiques industriels en Europe. C’est de ce constat que naît l’une des questions fondamentales qui anime le laboratoire PROMES ( Procédés, matériaux et énergie solaire ) : comment capter, stocker, convertir et valoriser cette chaleur afin d’en faire une ressource énergétique utile ?

Deux grandes voies de recherche apportent aujourd’hui des réponses ambitieuses. La première consiste à concentrer le rayonnement solaire pour le convertir en chaleur haute température dans des centrales solaires à concentration. La chaleur ainsi produite peut être soit valorisée directement dans des procédés qui la requièrent, soit convertie en électricité. Dans ce dernier cas, on parle de centrales solaires thermodynamiques - ou Concentrated Solar Power (CSP). Cette manière de produire de l’électricité, encore largement méconnue du grand public, constitue une alternative aux cellules photovoltaïques. La seconde stratégie vise à produire du froid à partir de la chaleur, en exploitant des cycles thermochimiques capables de fonctionner sans électricité. Deux approches distinctes, mais portées par un même objectif : rendre la chaleur plus utile, plus adaptable et, en un sens, plus intelligente.

Les centrales solaires thermodynamiques offrent un spectacle singulier, tel qu’on peut l’observer à la centrale Thémis de Targasonne (66) : de vastes champs de miroirs suivent la course du soleil et renvoient ses rayons vers une cible précise : le récepteur solaire. Sous l’effet de cette concentration extrême, la lumière devient chaleur, puis électricité grâce à un cycle thermodynamique. Pour améliorer leur rendement, ces installations doivent toutefois atteindre des températures toujours plus élevées.

Les fluides caloporteurs conventionnels, comme les huiles thermiques ou les sels fondus, atteignent aujourd’hui leurs limites : au-delà d’environ 560 °C, ils se dégradent ou deviennent instables, empêchant les centrales d’exploiter pleinement la richesse du rayonnement solaire. C’est pourquoi PROMES développe, depuis plusieurs années, une technologie de rupture : les récepteurs solaires à lit fluidisé dense ascendant, conçus et testés dans les projets européens Next-CSP puis Powder2Power. Ce dispositif tire parti des excellentes capacités de transfert et de stockage des particules d’olivine, issues de roche naturelle et concassées pour former un sable très fin. Une injection d’air dans les particules, suffisante pour les mettre en suspension, permet à la masse de particules de s’écouler comme un fluide : on parle alors de « fluidisation ». En passant dans les tubes chauffés par le soleil, les particules absorbent puis transportent la chaleur comme un fluide traditionnel. Les particules d’olivine

Nous avons pu concrétiser ce fonctionnement à travers un dispositif modèle, où la chaleur est utilisée pour activer un cycle thermo-chimique exploitant le phénomène de sorption chimique d’un gaz sur un matériau solide. La maquette est constituée de deux réservoirs séparés par une vanne : d’un côté, un réacteur contenant le sorbant solide (la sorption est le processus par lequel une substance est adsorbée ou absorbée (par un « sorbant ») sur ou dans une autre substance), un sel de baryum capable de fixer ou libérer de l’ammoniac gazeux ; de l’autre, un réservoir où cet ammoniac peut être stocké à l’état liquide sous pression et à température ambiante. Avant la démonstration, le système est préalablement “chargé” en chauffant le réacteur pendant quelques heures à l’aide d’une résistance électrique, simulant une source de chaleur solaire. Cette étape permet de libérer l’ammoniac du sel et de le transférer vers le réservoir où il se condense. À l’ouverture de la vanne, il s’évapore puis retourne vers le réacteur, où il est réabsorbé par le sel. Pendant la démonstration, nous pouvons constater la production instantanée de froid en touchant le réservoir d’ammoniac avant et après ouverture de la vanne. Ce cycle simple illustre de manière très concrète le potentiel du froid solaire et laisse entrevoir de nouvelles solutions pour la climatisation dans les régions chaudes, le stockage saisonnier d’énergie ou encore la réduction de l’usage de fluides frigorigènes à fort impact climatique.
 
Article rédigé par Doha Kafeh, doctorante en procédés et matériaux, Alexandre Labat, doctorant en procédés et matériaux, Antoine Lemaire, vacataire d'enseignement en procédés et matériaux, Samuel Mer, maître de conférences en génie des procédés, Maxime Perier-Muzet maître de conférences en génie des procédés et vice-président Patrimoine pour un campus à énergie positive de l'UPVD, Reine Reoyo maîtresse de conférences en procédés et matériaux, Noémi Barros maîtresse de conférences en chimie des matériaux Laboratoire PROMES - (UPR 8521 CNRS (Convention UPVD))