La technologie de l’âge du bronze pourrait favoriser la transition vers une énergie propre

Selon une récente étude menée par Stanford, une technologie dont les racines remontent à l’âge du bronze pourrait offrir une solution rapide et peu coûteuse pour aider à atteindre l’objectif climatique des Nations Unies de zéro émission nette d’ici 2050. Nexus PNAS.

Cette technologie consiste à assembler des briques absorbant la chaleur dans un conteneur isolé, où elles peuvent stocker la chaleur générée par l’énergie solaire ou éolienne pour une utilisation ultérieure aux températures requises par les processus industriels. La chaleur peut ensuite être libérée en cas de besoin en faisant passer de l’air à travers des canaux dans les piles de « briques réfractaires », ce qui permet aux usines de ciment, d’acier, de verre et de papier de fonctionner à l’énergie renouvelable même lorsque le vent et le soleil ne sont pas disponibles.

Ces systèmes, que plusieurs entreprises ont récemment commencé à commercialiser pour le stockage de chaleur industrielle, sont une forme de stockage d’énergie thermique. Les briques sont fabriquées à partir des mêmes matériaux que les briques isolantes qui tapissaient les fours primitifs et les fourneaux de fabrication de fer il y a des milliers d’années. Pour optimiser le stockage de chaleur plutôt que l’isolation, les matériaux sont combinés en différentes quantités.

Les batteries peuvent stocker l’électricité provenant de sources renouvelables et fournir de l’électricité pour générer de la chaleur à la demande. « La différence entre le stockage par briques réfractaires et le stockage par batterie est que les briques réfractaires stockent la chaleur plutôt que l’électricité et coûtent dix fois moins cher que les batteries », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Mark Z. Jacobson, professeur de génie civil et environnemental à la Stanford Doerr School of Sustainability et School of Engineering. « Les matériaux sont également beaucoup plus simples. Ce sont simplement des composants de la terre. »

Stockage de chaleur élevé

De nombreuses industries ont besoin de chaleur à haute température pour la fabrication. Les températures dans les usines doivent atteindre au moins 1 300 degrés Celsius (près de 2 400 degrés Fahrenheit) pour produire du ciment, et 1 000 °C (environ 1 800 °F) ou plus pour la fabrication du verre, du fer et de l’acier. Aujourd’hui, environ 17 % de toutes les émissions de dioxyde de carbone dans le monde proviennent de la combustion de combustibles fossiles pour produire de la chaleur pour les processus industriels, selon les calculs de Jacobson et du co-auteur Daniel Sambor. La production de chaleur industrielle à partir de sources renouvelables pourrait pratiquement éliminer ces émissions.

« En stockant l’énergie sous la forme la plus proche de son utilisation finale, on réduit les inefficacités dans la conversion de l’énergie », explique Sambor, chercheur postdoctoral en génie civil et environnemental. « On dit souvent dans notre domaine que si vous voulez des douches chaudes, stockez de l’eau chaude, et si vous voulez des boissons froides, stockez de la glace. Cette étude peut donc se résumer ainsi : si vous avez besoin de chaleur pour l’industrie, stockez-la dans des briques réfractaires. »

Des économies substantielles

Les chercheurs ont entrepris d’examiner l’impact de l’utilisation de briques réfractaires pour stocker la majeure partie de la chaleur issue des procédés industriels dans 149 pays dans un futur hypothétique où chaque pays aurait fait la transition vers l’énergie éolienne, géothermique, hydraulique et solaire à toutes fins. Ces 149 pays sont responsables de 99,75 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone provenant des combustibles fossiles. « Notre étude est la première à examiner une transition à grande échelle des énergies renouvelables avec des briques réfractaires comme partie de la solution », a déclaré Jacobson. « Nous avons constaté que les briques réfractaires permettent une transition plus rapide et moins coûteuse vers les énergies renouvelables, ce qui profite à tout le monde en termes de santé, de climat, d’emploi et de sécurité énergétique. »

L’équipe a utilisé des modèles informatiques pour comparer les coûts, les besoins en terres, les impacts sur la santé et les émissions impliqués dans deux scénarios hypothétiques dans lesquels 149 pays utiliseraient les énergies renouvelables à toutes fins énergétiques en 2050. Dans un scénario, les briques réfractaires fournissent 90 % de la chaleur des processus industriels. Dans l’autre, il n’y a aucune adoption de briques réfractaires ou d’autres formes de stockage d’énergie thermique pour les processus industriels. Dans le scénario sans briques réfractaires, les chercheurs ont supposé que la chaleur pour les processus industriels proviendrait plutôt de fours électriques, de radiateurs, de chaudières et de pompes à chaleur, avec des batteries utilisées pour stocker l’électricité pour ces technologies.

Les chercheurs ont découvert que le scénario avec des briques réfractaires pourrait réduire les coûts d’investissement de 1,27 billion de dollars dans les 149 pays par rapport au scénario sans stockage de briques réfractaires, tout en réduisant la demande d’énergie du réseau et le besoin de capacité de stockage d’énergie à partir de batteries.

Énergie propre, air plus pur

Les solutions pour accélérer la transition vers une énergie propre sont également liées à la santé humaine. Des recherches antérieures ont montré que la pollution de l’air due à la combustion de combustibles fossiles provoque des millions de décès prématurés chaque année. « Chaque part de combustible que nous remplaçons par de l’électricité réduit cette pollution de l’air », a déclaré M. Jacobson. « Et comme les fonds disponibles pour effectuer la transition à grande vitesse sont limités, plus le coût pour le système global est faible, plus vite nous pouvons la mettre en œuvre. »

Jacobson a consacré sa carrière à comprendre la pollution de l’air et les problèmes climatiques et à élaborer des plans énergétiques pour les pays, les États et les villes afin de résoudre ces problèmes. Mais son intérêt pour les briques réfractaires est relativement nouveau, inspiré par le désir d’identifier des solutions efficaces qui pourraient être adoptées rapidement.

« Imaginez que nous proposions une méthode coûteuse et difficile pour passer à l’électricité renouvelable : nous aurions très peu de preneurs. Mais si cela permet d’économiser de l’argent par rapport à une méthode précédente, elle sera mise en œuvre plus rapidement », a-t-il déclaré. « Ce qui m’enthousiasme, c’est que l’impact est très important, alors que beaucoup de technologies que j’ai étudiées ont des impacts marginaux. Ici, je peux voir un avantage substantiel à faible coût sous de multiples angles, de la réduction de la mortalité due à la pollution de l’air à la facilitation de la transition du monde vers des énergies renouvelables propres. »