Le stockage de chaleur du sol pourrait résoudre le défi du stockage d’énergie renouvelable

Stockage d’énergie à grande échelle nécessaire

Il y a un besoin croissant de systèmes de batteries capables de stocker une grande quantité d’énergie pendant plusieurs heures ou jours. Cela est dû au caractère intermittent de l’énergie solaire et éolienne, qui fluctue tout au long de la journée et d’un jour à l’autre.

Dans les climats froids, la situation se complique davantage, car c’est souvent lorsque les températures sont particulièrement basses que la consommation d’énergie augmente pour chauffer les bâtiments. Ainsi, lorsque le ciel est couvert ou que les panneaux solaires sont recouverts de neige, la demande énergétique est la plus élevée.

Utiliser des batteries lithium-ion comme celles des véhicules électriques ne constitue probablement pas une solution viable à grande échelle. Elles sont simplement trop coûteuses, insuffisamment durables et consomment trop de matières premières.

C’est pourquoi de nombreuses chimies de batteries alternatives ont été étudiées pour le stockage d’énergie à l’échelle des services publics. Nous examinons la plupart de ces options dans notre article « L’avenir du stockage d’énergie – Batteries à l’échelle des services publics », incluant le lithium fer phosphate, le sodium-ion, le flux redox, le fer-air, le métal fondu, le nickel-hydrogène, le sodium-soufre, etc.

Toutes ces batteries stockent l’énergie sous forme d’électricité d’une manière ou d’une autre, généralement via l’oxydation et la réduction d’un métal.

Le problème est que même des métaux très courants comme le fer ou l’aluminium nécessiteraient encore beaucoup d’extraction minière. Et si nous stockions l’énergie sous une autre forme ?

Stockage de la chaleur

Il existe un nombre étonnamment important d’options pour stocker l’énergie sans recourir à l’électricité comme moyen de stockage. Nous les avons examinées plus en détail dans « Alternatives non chimiques aux batteries pour la transition énergétique ». Ces options comprennent :

• Air comprimé.
• Batteries gravitationnelles (roches, hydroélectricité pompée).
• Batteries thermiques.
• Volants d’inertie.
• Solaire thermique.

Chaque option, batteries ou non, présente des avantages et des inconvénients. La solution idéale de stockage d’énergie devrait répondre à quelques caractéristiques :

• Pas besoin de métaux ni de matériaux rares.
• Stockage d’énergie à longue durée, idéalement sur plusieurs semaines ou mois.
• Coût faible.
• Facilement évolutif sans limitations liées aux sites ou aux ressources disponibles.
• Il peut être reconverti en électricité avec des pertes minimales.

Pour les 4/5 premiers critères, le stockage thermique répondrait aux exigences. Nous avons exploré certaines des technologies de « batteries thermiques » dans notre article dédié « Batteries thermiques en maturation rapide sans besoin d’extraction de métaux ».

Cependant, même ces solutions nécessitent une certaine fabrication de la capacité de stockage, que ce soit d’énormes silos isolés remplis de sable ou des blocs de carbone pur chauffés à 1500 °C.

Des chercheurs de l’Université de technologie de Kaunas (Lituanie) explorent désormais une autre possibilité, stocker l’énergie directement dans le sol sous les bâtiments, sans aucune fabrication supplémentaire requise.

Ils ont publié leurs résultats dans un numéro spécial de la revue Sustainability¹ sous le titre « Recherche sur l’augmentation de l’efficacité énergétique des bâtiments en utilisant le sol en dessous pour la thermo‑accumulation ».

Capacité thermique du sol

Comme les sols contiennent un mélange de minéraux et d’eau, ils possèdent généralement une masse thermique importante, c’est‑à‑dire la quantité d’énergie sous forme de chaleur qu’ils peuvent contenir pour un volume ou une masse donnés. La nature du sol, telle que sa structure physique, sa teneur en matière organique, sa texture et sa composition minérale, détermine les variations thermiques du sol.

En raison de cela, le sol tend à maintenir une température plus constante en dessous d’une certaine profondeur (généralement 2‑3 mètres / 6,5‑10 pieds), reflétant la température moyenne annuelle d’une zone donnée.

Source: MDPI

C’est ce principe qui est exploité par les pompes à chaleur géothermiques, qui prélèvent la chaleur stockée par le sol en été pour chauffer les habitations en hiver, au lieu d’essayer de pomper la chaleur de l’air de surface beaucoup plus froid. Cela peut également fonctionner en sens inverse dans les climats chauds, où le sol reste plus frais pendant la journée et l’été que l’air de surface. Les mêmes principes sont également déployés dans les serres géothermiques,

Mesure de la diffusion thermique

Configuration expérimentale

Peu de tests ont été réalisés pour analyser la diffusion thermique dans plusieurs couches de sol et la mesurer tout au long de l’année, permettant une compréhension adéquate du potentiel du sol en tant que batterie thermique pratique.

Ainsi, les chercheurs ont mis en place une configuration expérimentale avec plusieurs mesures à différentes profondeurs. Ils ont ajouté une résistance électrique afin de mesurer ultérieurement la diffusion de la chaleur. La recherche expérimentale sur la dissipation de la chaleur dans le sol a commencé en décembre et s’est terminée en juillet.

Source: MDPI

Les mesures expérimentales ont été comparées à une simulation numérique de la diffusion de la chaleur dans le sol, les deux donnant des résultats similaires, confirmant ainsi la validité de la simulation.

Source: MDPI

“Les mesures sur une année ont révélé des schémas saisonniers naturels de la température du sol et nous ont permis d’identifier plusieurs tendances. Nous avons constaté que même l’utilisation passive d’un volume de sol isolé sous un bâtiment peut réduire les pertes de chaleur et augmenter son efficacité énergétique.”

Prof. Ždankus – Professeur à l’Université de technologie de Kaunas

Stockage d’énergie hydraulique

Les chercheurs savaient déjà que la teneur en eau du sol, ainsi que les poches d’air, affectaient fortement la vitesse de diffusion thermique du sol et sa masse thermique. À mesure que la profondeur augmente, le temps d’accumulation augmente également, permettant au sol de stocker la chaleur plus lentement et pendant des périodes plus longues.

L’activité de l’eau a également été identifiée comme un facteur clé de la diffusion de la chaleur dans le sol, car l’eau peut transporter la chaleur entre les couches du sol ainsi que latéralement.

Dans un test, le sol a été chauffé jusqu’au point où l’humidité a commencé à s’évaporer – déclenchant un changement de phase où l’eau liquide devient vapeur. Ce « changement de phase » de l’eau liquide à la vapeur absorbe une quantité importante de chaleur, augmentant la capacité totale du sol à retenir la chaleur tout en modifiant le schéma de répartition.

“Le changement de phase peut être un moyen efficace de stocker la chaleur. Des quantités d’énergie nettement plus élevées peuvent être injectées dans le sol.

Lorsque la vapeur circule dans le sol, elle répartit la chaleur sur une zone plus étendue. « Nous avons remarqué une forte hausse de température partout où le flux de vapeur atteignait. Cela signifie que l’énergie se déplace et peut être contrôlée. »

Prof. Ždankus – Professeur à l’Université de technologie de Kaunas

Applications pratiques

Transformer chaque terrain en batterie

Comme chaque bâtiment possède une empreinte importante, exploiter le sol à la fois pour la stabilité structurelle et le stockage de chaleur ne nécessiterait aucun effort, notamment pour les nouvelles constructions, où l’échangeur thermique serait installé lors de la construction des fondations du bâtiment.

Il en va de même pour les grandes surfaces construites en béton ou en asphalte.

“Un tel système pourrait aider à équilibrer les réseaux de chauffage urbain ou à atténuer la tension lors de surcharges du réseau électrique. Il est également possible d’installer des accumulateurs thermiques pour un usage individuel – sous les bâtiments résidentiels, les rues ou les parkings.”

Prof. Ždankus – Professeur à l’Université de technologie de Kaunas

L’idée serait d’utiliser le surplus d’énergie pendant les heures ensoleillées et les journées ensoleillées, ou les jours venteux, pour chauffer le sol comme une gigantesque batterie thermique. La plus grande quantité d’énergie était nécessaire pour chauffer le sol environnant au départ.

Dans la configuration expérimentale, il a fallu environ une semaine de flux thermique continu pour atteindre un équilibre stable, où aucune chaleur supplémentaire ne pouvait être ajoutée au sol sans qu’elle ne s’échappe.

Réseaux décentralisés & chaleur

Un avantage clé de cette technologie serait qu’elle peut facilement tirer parti de la nature décentralisée de la production solaire, tant en milieu rural qu’urbain.

Cela peut poser des problèmes, car le réseau n’a pas été conçu pour supporter des charges très fluctuantes tout au long de la journée, alors qu’il était auparavant un point de consommation relativement stable. À cet égard, les parcs de batteries apportent peu d’aide, le réseau électrique nécessitant encore une mise à niveau pour alimenter les batteries.

À la place, le surplus de production solaire d’un bâtiment donné pourrait être envoyé localement sous forme de chaleur dans le sol et réutilisé plus tard pendant la nuit ou après plusieurs jours pour le réchauffer. Ainsi, le réseau local n’est pas surchargé pendant les heures les plus ensoleillées.

Cela peut également fonctionner dans une certaine mesure pour le refroidissement, le sol pouvant stocker le froid ainsi que la chaleur.

Recherche supplémentaire

Une évaluation plus approfondie de l’économie du système doit être réalisée, en intégrant les prix des équipements utilisés et les coûts de construction, les économies réalisées sur les mises à niveau du réseau, et la durée pendant laquelle le sol peut conserver la chaleur de manière économique.

Jusqu’à présent, il semble que ce système soit plus efficace pour équilibrer la demande énergétique sur le cycle jour‑nuit, ou sur quelques jours, que pour un équilibrage sur plusieurs mois ou saisons.

Un autre point à étudier avant le déploiement d’une utilisation pratique de la technologie est la manière dont elle peut exploiter les solutions existantes déjà utilisées par l’industrie géothermique.

“Notre objectif immédiat est d’intégrer les solutions existantes, telles que les forages, les pieux et d’autres technologies d’échange thermique souterrain, dans un système qui puisse bénéficier à la fois à l’industrie et aux secteurs résidentiels.”

Prof. Ždankus – Professeur à l’Université de technologie de Kaunas

Investir dans l’énergie géothermique

Le secteur reste relativement petit comparé aux autres énergies renouvelables et évolue rapidement sur le plan technologique. Nous en avons discuté plus en détail dans « Géothermie : énergie verte brûlante ».

Cela signifie que de nombreuses startups les plus avancées du secteur sont encore cotées en privé. Par exemple, l’énergie géothermique en boucle fermée Eavor, la géothermie supercritique Quaise, ou des fonds accessibles uniquement aux investisseurs accrédités comme Baseload Capital.

Cela signifie également que certaines entreprises géothermiques avancées, comme Iceland Drilling, pourraient n’être qu’une petite partie d’une société d’exploration pétrolière et gazière beaucoup plus grande (Archer Wells – ARCH.OL dans ce cas).

Cependant, certaines entreprises sont cotées en bourse et accessibles aux investisseurs particuliers. Vous pouvez investir dans des sociétés liées à la géothermie via de nombreux courtiers, et vous trouverez nos recommandations des meilleurs courtiers sur ce site pour les États‑Unis, le Canada, l’Australie, le Royaume‑Uni et de nombreux autres pays.

Si vous n’êtes pas intéressé par la sélection d’entreprises spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers des ETF tels que le Shares Global Clean Energy ETF (ICLN), le First Trust NASDAQ Clean Edge Green Energy Index Fund (QCLN), ou le ALPS Clean Energy ETF (ACES) pour profiter de la croissance du secteur de l’énergie géothermique.

Entreprises géothermiques

1. Ormat Technologies, Inc.

Ormat est le plus grand propriétaire et exploitant géothermique du monde. L’entreprise possède des actifs aux États‑Unis, au Kenya, en Indonésie et en Amérique centrale + les Caraïbes, avec une capacité de 1,5 GW, soit 10 % de la capacité mondiale de production d’énergie géothermique, dont 253 MW ajoutés en 2024 seulement.

Source: Ormat

L’entreprise vise une forte croissance de sa capacité de production d’énergie, avec de nombreux nouveaux puits d’exploration forés, notamment au Nevada, dans l’Utah et en Californie. Au total, elle devrait atteindre une capacité de production de 2,6‑2,8 GW d’ici 2028.

Source: Ormat

Ormat s’aventure également sur le marché du stockage d’énergie, avec 290 MW en service. Une capacité de stockage supplémentaire de 385 MW est en cours de développement, avec un potentiel de 2,9 GW à long terme.

Source: Ormat

Elle est également fournisseur de technologie géothermique, apportant son expertise à 74 % des projets de centrales à cycle binaire, qui transfèrent la chaleur du sol à un autre liquide ; les centrales à cycle binaire représentent 61 % du marché mondial de l’énergie géothermique, ce qui signifie qu’Ormat contrôle 45 % du marché mondial.

Source: Ormat

L’énergie géothermique est actuellement un secteur en forte croissance, mais aussi très conservateur en raison du manque de familiarité avec la technologie pour la plupart des services publics et des entreprises industrielles.

À cet égard, cela place Ormat en bonne position pour profiter de la demande croissante, tout en étant l’un des acteurs les plus établis du secteur, et en fournissant une énergie renouvelable de base, ce que d’autres technologies vertes peinent encore à offrir.

Dernières nouvelles sur Ormat Technologies

Référence de l’étude :

^{1. Tadas Zdankus , Sandeep Bandarwadkar, Juozas Vaiciunas, Gediminas Stelmokaitis, and Arnas Vaicaitis (2025). Recherche sur l’augmentation de l’efficacité énergétique des bâtiments en utilisant le sol en dessous pour la thermo‑accumulation. Intégration et application des énergies renouvelables dans les bâtiments pour la neutralité carbone, 2e édition https://doi.org/10.3390/su17010262}