Hybridation des moyens de production d’utilités industrielles avec stockage thermique : un levier pour décarboner à coûts maitrisés

Décarboner l’industrie tout en maitrisant les coûts énergétiques

La décarbonation de l’industrie constitue aujourd’hui un enjeu majeur pour les acteurs industriels.
Toutefois, cette transformation doit s’opérer sans dégrader la compétitivité économique des sites de production, notamment en conservant un prix d’approvisionnement énergétique raisonnable.

En France, l’industrie consomme environ 102 TWh d’énergie par an soit près de 25% de la consommation énergétique nationale.
Ce secteur ne représente que 11% de la consommation d’énergies fossiles en France, une part qui tend à diminuer progressivement sous l’effet de plusieurs dynamiques :

• L’électrification des procédés industriels,
• L’intégration croissante d’énergies bas carbone,
• Les transformations structurelles du tissu industriel.

Parallèlement, l’essor des énergies renouvelables intermittentes a profondément modifié le fonctionnement du système électrique.
La production d’électricité est désormais de plus en plus décorrélée de la demande, ce qui entraîne une volatilité accrue des prix sur les marchés de l’électricité.

Cette évolution crée cependant de nouvelles opportunités pour les industriels.
En effet, les périodes où l’électricité est abondante et peu chère se multiplient, rendant économiquement pertinente l’hybridation des moyens de production d’utilités énergétiques.

Exploiter la volatilité des prix de l’électricité

Le principe de l’hybridation consiste à combiner plusieurs technologies de production d’énergie afin d’optimiser simultanément les coûts d’exploitation et l’empreinte carbone.

Dans ce modèle, les moyens de production carbonés (gaz par exemple) sont utilisés lorsque les prix de l’électricité sont peu attractifs et sont ensuite éteints pendant les périodes propices à la consommation électrique.
Cette stratégie permet ainsi de réduire l’empreinte carbone des utilités industrielles, d’optimiser les coûts d’exploitation et d’augmenter la flexibilité énergétique du site industriel.

Cependant, pour exploiter pleinement ces opportunités, une contrainte demeure : la capacité à consommer l’énergie au moment où elle est disponible à bas coût.
C’est précisément à ce niveau que le stockage thermique devient un levier clé.

Exemple d’engagement des différents moyens de production en fonction du coût de l’électricité :

Source datas : Eco2mix RTE

Rôle du stockage thermique dans l’hybridation énergétique

Le stockage d’énergie thermique permet de décorréler la production d’énergie de son utilisation dans le procédé industriel.

Il peut être de 2 types :

• Stockage thermique solide type roche, matériaux réfractaires, …
• Stockage thermique liquide, plus classique avec un fluide caloporteur (eau chaude , eau surchauffée , huile minérale…).

Concrètement, l’énergie peut être produite lorsque les conditions économiques sont favorables (électricité peu chère), puis stockée sous forme thermique pour être utilisée ultérieurement.

L’intégration d’un stockage thermique permet ainsi :

• D’augmenter la capacité de captage des périodes de prix électriques bas ;
• D’améliorer le taux de couverture énergétique bas carbone ;
• D’optimiser les coûts d’exploitation de l’installation.

Dans certains cas, cette approche permet également d’éviter ou de réduire l’utilisation de combustibles fossiles pendant de longues périodes.

Exemple de pilotage des différents moyens de production sur une semaine, en fonction de l’évolution du prix de l’électricité :

Source : étude Coretec en cours

Les besoins d’hybridation concernent principalement les sites industriels disposant d’utilités thermiques difficiles à décarboner, notamment lorsque des niveaux de température élevés empêchent d’intégrer facilement des technologies renouvelables (pompe à chaleur, solaire thermique…).

Les principales utilités industrielles pouvant être hybridées sont :

• Vapeur industrielle / vapeur propre : 160 -300°C,
• Eau surchauffée :105-200°C,
• Huile thermique : 180 -400°C,
• Chaufferie eau chaude (PAC ou chaudière électrique >95°C).

Comme expliqué précédemment, pour ces utilités, l’intégration d’un stockage thermique permet de maximiser l’utilisation de l’électricité lorsque celle-ci est compétitive et donc d’augmenter le taux de couverture de l’énergie décarbonée, mais aussi d’optimiser financièrement les coûts d’OPEX de l’installation.

Avantages et limites de l’intégration d’un stockage sur une solution d’hybridation :

L’ajout d’un système de stockage thermique à une stratégie d’hybridation présente plusieurs bénéfices, mais implique également certaines contraintes techniques et économiques.

Avantages :

• Taux de couverture de l’énergie plus important via l’électricité,
• Meilleure valorisation des périodes de prix électriques attractifs,
• Rentabilité des projets d’hybridation augmentée dans certains cas.

Inconvénients :

• Ajout d’un CAPEX complémentaire au projet d’hybridation classique,
• Potentielle nécessité de surdimensionnement de la production électrique pour mobiliser la puissance nécessaire quand les prix sont attractifs,
• Gestion du moyen de production plus complexe sur certaines technologies (stockage solide).

Malgré quelques contraintes, ces solutions deviennent de plus en plus pertinentes dans un contexte de marchés énergétiques volatiles et d’objectifs des sites industriels de réduction de leurs émissions de CO₂.

Principales solutions d’hybridation de la production avec du stockage thermique

Stockage liquide par stratification associé à une chaudière électrique

Cette solution consiste à utiliser une chaudière ou un réchauffeur électrique pour chauffer un fluide caloporteur sous pression (eau ou huile thermique), afin d’alimenter un process industriel via une cuve de stockage thermique par stratification.

Cette solution technique permet de récupérer l’énergie à un certain niveau de température quand il y a une décorrélation entre la production et la consommation d’énergie.

Le principe :

• Fonctionnement similaire aux systèmes de stockage stratifiés classiques,
• Volumes de stockage importants, permettant des durées de charge et de décharge prolongées,
• Régime thermique typique entre 40 °C et 180 °C en eau surchauffée, et davantage pour les huiles thermiques.

Fonctionnement :

• Fonctionnement en mode charge électrique (coût électrique < coût gaz) :

Lorsque le prix de l’électricité est inférieur au coût du gaz, la chaudière électrique alimente directement le procédé industriel et charge simultanément le système de stockage thermique.

• Fonctionnement de la chaudière carboné et décharge du stockage (coût électrique > coût gaz) :

Lorsque le prix de l’électricité devient plus élevé, la chaudière électrique est arrêtée. Le procédé est alors alimenté par l’énergie thermique du stockage, puis lorsque la cuve est vide, la chaudière carbonée (gaz) reprend le relais.

Cette stratégie permet de maximiser la consommation d’électricité lorsque celle-ci est la plus compétitive.

Point d’attention :

Il est difficile d’obtenir une stratification fine dans cette configuration car il y a des débits de charge et décharge très important.

Stockage thermique solide pour la production de vapeur ou d’air chaud

Une autre technologie consiste à stocker l’énergie thermique dans un milieu solide à haute température, généralement constitué de roches ou de matériaux réfractaires.

Le principe :

• Des résistances électriques chauffent le matériau solide à haute température ;
• L’énergie est stockée sous forme de chaleur sensible dans la masse solide ;
• Lors de la décharge, l’eau alimentaire (ou l’air de procédé) traverse le stockage ou la chaudière de récupération pour générer de la vapeur ou de l’air chaud.

Ces technologies permettent d’atteindre des températures élevées, ce qui les rend pertinentes pour des applications industrielles difficiles à électrifier.

Vers des utilités industrielles flexibles et bas carbone

Aujourd’hui, certaines solutions de stockage sont déjà matures et utilisées, comme le stockage thermique par stratification.
Avec les différents enjeux des industriels et le contexte actuel, ces solutions vont de plus en plus être mises en place pour permettre à des sites ayant un fonctionnement batch ou intermittent de pouvoir accéder à des possibilités décarbonation de leur production.

Dans ce contexte, Coretec développe actuellement des projets autour de l’hybridation de la production d’énergie et du stockage thermique pour accompagner les industriels dans la conception et l’optimisation de leurs systèmes.

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Et découvrez des exemples concrets d’électrification, hybridation et stockage thermique :

• Projet de récupération de chaleur fatale et production de vapeur
• Chaufferie fluide thermique électrique, en remplacement du fioul lourd
• Etude, puis réalisation d’un projet de récupération d’énergie sur le flux d’eau recyclée pour préchauffer une source interne d’une site industriel
• Mise en place d’une production de vapeur décarbonée mixte Gaz Naturel / Electrique