Réutilisation de l’énergie thermique : contrôle climatique domestique, parkings souterrains et informatique

Le marché mondial du stockage d’énergie thermique pourrait atteindre US$8 billion en 2030, contre une taille de US$4.4 billion en 2022, ce qui représente un taux de croissance annuel composé (CAGR) d’environ 7.7 %. La demande croissante de stockage indique une utilisation constamment croissante de l’énergie thermique. 

Mais qu’est exactement l’énergie thermique, et comment la stockons‑nous ? Nous approfondirons ces questions dans les prochains segments pour comprendre comment l’énergie thermique crée des paradigmes d’utilisation énergétique efficaces pour les besoins de notre monde moderne. 

Bref historique de l’énergie thermique

L’histoire de la reconnaissance de l’énergie thermique et de son potentiel remonte à 1847. Le crédit revient au physicien et mathématicien anglais mondialement respecté James Prescott Joule. 

En termes simples, Joule a découvert la relation entre la chaleur et l’énergie mécanique, aboutissant à la loi de conservation de l’énergie, également appelée première loi de la thermodynamique. Cette loi stipule que l’énergie peut être convertie d’une forme à une autre mais ne peut être créée ni détruite. 

La façon dont le scientifique Joule est parvenu à cette conclusion révolutionnaire était une expérience passionnante qui peut nous aider à comprendre la nature de ce que nous appelons aujourd’hui l’énergie thermique. 

Dans son expérience, Joule a mesuré la quantité de travail qu’un moteur électrique devait fournir pour augmenter la température d’un certain volume d’eau d’un degré. Il a également mesuré l’augmentation de température de l’eau lorsqu’elle traversait un cylindre perforé et la chaleur générée lors de la compression d’un gaz. 

Au cours de ses recherches, il a découvert que la quantité d’énergie mécanique appliquée au fluide était toujours égale à l’énergie thermique générée, indiquant que la réutilisation de l’énergie d’une forme à une autre est possible. 

Dans un sens plus large, l’expérience en dit long sur notre univers et son système énergétique. Elle a montré, surtout, que la totalité de l’énergie de l’univers reste constante, une forme d’énergie se convertissant en une autre. 

La découverte de Joule a donné naissance à un champ d’étude complet appelé thermodynamique. Nous avons déjà vu la première loi du paradigme. Il en existe trois autres. Ces quatre lois fondamentales définissent les contours de la thermodynamique qui traite de la chaleur, du travail et de la température, ainsi que de la façon dont leurs interdynamiques influencent les notions d’énergie, de rayonnement et les propriétés physiques de la matière. 

Il est crucial de comprendre la thermodynamique pour saisir pleinement le potentiel de l’énergie thermique et les manières dont elle peut aider nos processus. En son cœur, la thermodynamique explique comment l’énergie thermique se convertit en d’autres formes et inversement. L’énergie thermique provient de la chaleur produite par les mouvements de particules à l’intérieur d’un objet. Plus le mouvement est rapide, plus la chaleur générée est importante. 

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La science derrière la génération d’énergie thermique : Conduction, Convection, Rayonnement

Le déplacement de particules ou de molécules engendre la chaleur. Mais il existe au moins trois manières dont ces mouvements peuvent générer de la chaleur. 

Dans le processus de conduction, la chaleur est générée à partir du mouvement des particules constituantes sans que le corps ne se déplace. Un exemple concret de génération de chaleur par conduction est l’augmentation de température d’une cuillère en acier inoxydable lorsqu’elle est placée dans une casserole pendant un certain temps alors que la casserole est encore chauffée par le dessous. 

Le processus de convection se produit lorsque le transfert d’énergie a lieu entre une surface solide et un liquide ou gaz en mouvement. Chauffer de l’eau en la plaçant dans une poêle et en appliquant directement la chaleur à la poêle est un exemple du processus de convection du transfert d’énergie. 

Enfin, dans le processus de rayonnement, pour que la chaleur ou l’énergie thermique soit échangée, deux corps ou substances n’ont pas besoin d’être en contact. Un exemple typique de ce processus est la fonte de la glace en plaçant une lampe incandescente à proximité. Bien que la lampe et la glace ne se touchent jamais, la glace fond. 

Bien que ces méthodes de génération d’énergie thermique ne soient pas visibles à l’œil nu et ne puissent être appréhendées qu’en observant leurs manifestations externes ou physiques, les exemples d’énergie thermique sont souvent faciles à reconnaître dans nos interactions quotidiennes. 

Par exemple, le rayonnement solaire chauffe notre atmosphère, et nous ressentons la chaleur en conséquence. De même, il existe l’énergie géothermique, qui est une chaleur intense s’écoulant continuellement depuis les profondeurs de la Terre. La désintégration des éléments radioactifs présents dans les roches est le principal générateur de ce type de chaleur. Ensuite, la surface de l’eau de mer possède un potentiel de stockage thermique massif du fait de son exposition directe aux rayons du soleil pendant une longue période. Les piles à combustible, elles aussi, aident à exploiter l’énergie produite à partir de la chaleur. 

Réutilisation de l’énergie thermique : initiatives à travers le monde

En principe, l’énergie se convertit d’une forme à une autre. La réutilisation de l’énergie est donc conforme aux principes de la science naturelle. C’est une façon efficace d’exploiter le véritable potentiel de l’énergie en allant au-delà de son application immédiate. Nous examinerons quelques exemples d’énergie thermique réutilisée. 

Énergie thermique générée dans les parkings souterrains pour chauffer les eaux souterraines

Une équipe de chercheurs de l’Université Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU), du Karlsruhe Institute of Technology et de l’Université de Bâle a mené une étude approfondie de 31 parkings souterrains dans des villes d’Allemagne, d’Autriche et de Suisse.

Dans six de ces sites, ils ont également mesuré la température des eaux souterraines à proximité. D’après les profils thermiques qu’ils ont établis, ils ont conclu que les parkings souterrains chauffent constamment les eaux souterraines tout au long de l’année. Il est important de noter que cette chaleur provient principalement des moteurs des voitures stationnées.

Maximilian Noethen, géoscientifique à la MLU, a expliqué : « Les parkings souterrains publics contribuent davantage au chauffage des eaux souterraines que les privés, car ils sont souvent plus profonds et les voitures y restent moins longtemps. »

Les chercheurs ont également souligné le potentiel de réutilisation de cette énergie thermique. Par exemple, la production énergétique annuelle des parkings souterrains de Berlin, près de 0,65 pétajoule, pourrait théoriquement fournir de la chaleur à environ 14 660 foyers.

Réutilisation de la chaleur des appareils électroniques

Cette étude provient des physiciens de l’Université Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU) et de la Central South University en Chine. Elle propose la faisabilité d’utiliser la chaleur générée par les appareils techniques pour l’informatique. Il suffit de combiner des matériaux spécifiques. 

Les appareils électroniques chauffent en raison du courant électrique qui les traverse. Cette chaleur se dissipe et se perd dans le processus. Selon le Dr Jamal Berakdar, professeur de physique à la MLU, « Depuis des décennies, on cherche des moyens de réutiliser cette énergie perdue dans l’électronique. »

La nouvelle méthode de réutilisation de la chaleur propose l’utilisation de bandes magnétiques non conductrices à la place des circuits électroniques conventionnels, associées à des entretoises métalliques normales. « Notre technologie peut contribuer à économiser de l’énergie dans les technologies de l’information en exploitant efficacement la chaleur excédentaire, » explique Berakdar. 

Batteries à sel pour stocker la chaleur

Ce travail de recherche est une évolution récente, la rédactrice de la thèse, doctorante à l’Université Radboud, Lian Blijlevens, s’apprête à défendre ses recherches sur l’utilité du sel pour le stockage de chaleur. Le sel en question n’est pas le sel de table commun, mais des types tels que le chlorure de strontium.

Le cœur de l’étude de Blijlevens est la batterie à sel, conçue pour stocker des hydrates de sel et des sels contenant de l’eau sous forme cristalline. Recharger cette batterie implique de chauffer le sel, ce qui expulse l’eau des cristaux.

« Lorsque vous avez besoin de chaleur, vous ajoutez de la vapeur d’eau aux cristaux, et la chaleur est à nouveau libérée, » conclut Blijlevens.

Avec ces articles de recherche montrant un environnement d’innovation florissant dans ce domaine, certaines solutions aident à réutiliser l’énergie thermique à l’échelle de l’entreprise. Nous discutons de quelques fournisseurs de solutions dans les segments suivants.

Fournisseurs de solutions de réutilisation d’énergie : échelle entreprise

#1. Calefa

Calefa est un fournisseur finlandais de solutions clés en main pour le recyclage de la chaleur. Son offre comprend une installation modulaire de pompes à chaleur AmbiHeat. Elle utilise des sources d’énergie ambiantes et des systèmes de rénovation pour recycler la chaleur résiduelle. Puisque nous avons mentionné les pompes à chaleur comme solution, il convient d’expliquer brièvement pourquoi elles sont considérées comme une option de premier choix pour le contrôle climatique domestique. 

Les pompes à chaleur sont des dispositifs de contrôle climatique polyvalents qui transfèrent la chaleur d’un endroit à un autre. Elles ne génèrent pas de chaleur, elles la déplacent simplement, ce qui en fait un choix écoénergétique pour chauffer ou rafraîchir une maison. En hiver, ces pompes extraient la chaleur de l’extérieur et la transfèrent à l’intérieur. En été, le processus s’inverse. 

Selon les données publiées par l’organisation, Calefa, au cours des dix dernières années, a livré près de 200 systèmes énergétiques utilisant la chaleur résiduelle ou l’énergie ambiante. Elle a permis d’économiser plus de 34 millions de dollars, près de 650 000 MWh d’énergie et plus de 142 millions de kilogrammes de dioxyde de carbone grâce à la réduction des émissions. 

#2. Heata

Heata, une startup innovante basée au Royaume-Uni, a eu l’idée d’utiliser la chaleur générée par les ordinateurs pour offrir de l’eau chaude gratuite. La startup a décollé en tant que projet d’innovation avec British Gas, afin d’aider les personnes vivant dans le manque de carburant ou la précarité énergétique. 

Ils ont étudié le secteur de la blockchain et découvert les grandes quantités d’énergie utilisées par les mineurs de Bitcoin ainsi que les volumes similaires de chaleur résiduelle qu’ils généraient. Pour réutiliser cette chaleur, l’équipe de Heata a immergé le mineur Bitcoin dans de l’huile minérale et l’a raccordé à un radiateur afin de tester la faisabilité de leur idée. 

Une fois l’idée jugée réalisable, ils ont introduit des cylindres d’eau chaude où la demande reste assez constante tout au long de l’année. Ils sont également passés du minage de Bitcoin à l’informatique générale pour soutenir les efforts de décarbonisation dans cette industrie. 

Fondée en 2017 et basée à Godalming, Surrey, Royaume-Uni, Heata permet aux entreprises de réduire leur empreinte carbone et fait économiser aux familles jusqu’à 450 £ par an sur leurs factures d’énergie. La startup a clôturé un financement seed de 1 million de livres en octobre de cette année.

Réutilisation de la chaleur des centres de données

Le Forum économique mondial a remarqué les entreprises technologiques qui exploitent leurs centres de données — hébergeant leurs serveurs — pour chauffer les habitations et réduire le dioxyde de carbone. Plusieurs initiatives facilitent ce processus et, selon International Data Corporation, le marché du chauffage par centres de données pourrait atteindre 2,5 milliards de dollars d’ici 2025. 

Stockholm Data Parks est une initiative similaire en Suède qui aide à chauffer les maisons en exploitant la chaleur résiduelle générée par les centres de données de Stockholm. Avec un objectif ambitieux, l’initiative prévoit de couvrir 10 % des besoins totaux de chauffage de Stockholm d’ici 2035. En écho à ce potentiel à plus grande échelle, le groupe de réflexion Energy Innovation indique que les plus grands centres de données peuvent générer plus de 100 MW d’énergie, suffisante pour alimenter 80 000 foyers.

Switch Datacenters est une autre entreprise néerlandaise qui a réduit sa dépendance au gaz naturel, en substituant les groupes électrogènes à gaz par le chauffage des centres de données. Selon le PDG de l’entreprise, il est possible de fournir jusqu’à 97 % de la chaleur des serveurs aux habitations et bureaux grâce à ce système. 

L’avenir : le géant technologique mondial Microsoft franchit le pas

Microsoft (MSFT ) s’est associé à Fortum, une entreprise finlandaise, pour chauffer des milliers de foyers à Helsinki, et à mesure que la collaboration porte ses fruits, Fortum prévoit que sa solution aidera à chauffer 40 % des habitations d’Helsinki. 

Renforçant son engagement en faveur de la durabilité, Microsoft a désormais décidé d’alimenter deux de ses nouveaux centres de données à Helsinki avec de l’énergie renouvelable, une décision qui devrait réduire les émissions annuelles de dioxyde de carbone de 400 000 tonnes.

Cependant, cette initiative environnementale n’est qu’un aspect de l’influence mondiale de Microsoft. L’entreprise, reconnue à l’échelle mondiale, a déclaré un chiffre d’affaires de 211 milliards de dollars au cours de l’exercice 2023 et un résultat d’exploitation de plus de 88 milliards de dollars. L’implication de Microsoft dans les efforts de réutilisation de l’énergie thermique met non seulement en avant ses engagements en matière de durabilité, mais confère également une visibilité et une adaptabilité importantes à ces initiatives.

Revenons maintenant à la première loi de la thermodynamique. L’énergie est mieux exploitée lorsque les efforts visent à la transformer d’une forme à une autre. Réutiliser l’énergie thermique est une étape efficace dans cette direction. Il n’y a aucune raison que son adoption ne connaisse pas une croissance significative dans les années à venir.