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Stockage de l'électricité par pompage turbinage thermique - piano4songs

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Stockage de l'électricité par pompage turbinage thermique

Sans une bonne batterie, les énergies renouvelables ne seront jamais crédibles. Et pour stocker toute l'électricité dont nous aurons besoin, il faudra de très grandes batteries. .C'est pourquoi j'aimerais vous présenter une batterie qui semble promise à un bel avenir et qui fonctionne suivant le principe du pompage turbinage thermique. Ce stockage a été breveté en 1929 par Marguerre. Cependant, il est méconnu de nos jours, alors qu'il est le complément indispensable des énergies renouvelables. Voici de quoi il s'agit.

Vous connaissez le pompage turbinage par gravité, les STEP : on pompe l'eau d'un lac inférieur dans un lac supérieur lors du stockage, et pour récupérer l'électricité, on fait redescendre l'eau au travers d'une turbine hydraulique. Le pompage turbinage thermique est similaire, mais au lieu de pomper de l'eau, on pompe des calories avec une pompe à chaleur en créant un réservoir très froid et un réservoir très chaud. Pour récupérer l'électricité, cette différence de températures est appliquée à une turbine à vapeur. L'avantage est que les dimensions des réservoirs sont beaucoup plus réduites que celles d'un lac et qu'il n'est pas nécessaire d'avoir un site au relief bien particulier. Cela vient du fait que beaucoup plus d'énergie peut être stockée dans la chaleur que dans les masses. Faisons un petite comparaison : prenons un mètre cube d'eau et chauffons-le de 15 °C à 95 °C d'une part et d'autre part une grue soulève ce mètre cube (qui pèse une tonne) à une hauteur de 100 mètres. Dans ces conditions, on a stocké 341 fois plus d'énergie dans la chaleur que dans les masses. Nous voyons donc qu'il faut privilégier le thermique.

Cette batterie peut également s'appeler batterie de Carnot avec pompe à chaleur. Il existe aussi des batteries de Carnot sans pompe à chaleur où on se contente de chauffer un matériau, mais elles sont beaucoup moins efficaces et nécessitent l'utilisation d'aéroréfrigérants qui peuvent causer la  légionellose. Sans pompe à chaleur, une batterie de Carnot peut par exemple chauffer de l'aluminium à 600 °C lors du chargement de la batterie et simplement fournir cette chaleur à une turbine pour récupérer l'électricité comme le font toutes les centrales thermiques ou nucléaires. Mais on ne retire alors de la batterie que 33 % de ce qu'on y a mis contre 60 % pour la batterie de Carnot avec pompe à chaleur. Et la difficulté avec des batteries sans pompe à chaleur est le refroidissement qui ne se pose pas avec la batterie avec pompe à chaleur, car le refroidissement y est interne. Cette batterie avec pompe à chaleur est composée de 4 éléments : un réservoir chaud, un réservoir froid, une pompe à chaleur et une turbine à vapeur. Un réservoir coûte d'autant moins par rapport à ce qu'il contient qu'il est grand, car la surface d'un cube et donc la quantité de matériaux à acheter pour le fabriquer est proportionnelle au carré de son côté, tandis que son volume et donc la quantité d'énergie qu'il peut contenir est proportionnelle au cube de son côté. Cette batterie est donc particulièrement indiquée pour stocker de très grandes quantités de kWh. Il existe à Krems, en Autriche, un stockage de chaleur dans un grand réservoir d'eau de 50 000 m³ pour le chauffage urbain d'une capacité de 2.000.000 KWh. Wikipedia nous montre une photo de ce réservoir : https://fr.wikipedia.org/wiki/Accumulateur_thermique
                                        
L'efficacité aller-retour de cette batterie, c'est-à-dire ce qu'on peut retirer de ce qu'on a stocké, se situe entre 50 % et 60 %, ce qui est mieux que les 25 % de l'hydrogène. De plus, l'hydrogène se conserve à une pression énorme de 700 bar ou à une température très basse de -253 °C, ce qui rend impossible sa conservation dans de très grands réservoirs et complique l'isolation thermique. Le rendement d'un moteur à essence est de 25 % tandis qu'une batterie au lithium a une efficacité aller-retour de 92 %. Compte tenu du coût peu élevé au kWh conservé de la batterie de Carnot avec pompe à chaleur, nous pouvons dire qu'elle est une solution d'avenir pour stocker de grandes quantités d'électricité.

La pompe à chaleur extrait les calories d'un réservoir qui devient très froid et y ajoute la chaleur produite par son compresseur pour placer le tout dans un réservoir qui devient très chaud. En fait, si le compresseur peut produire de la chaleur, c'est avec l'électricité qui vient des panneaux photovoltaïques ou des éoliennes et c'est justement cette l'électricité qu'il faut stocker. Elle est donc stockée sous forme de chaleur. Pour récupérer l'électricité, la différence de température entre le réservoir chaud et le réservoir froid est appliquée à une turbine à vapeur.

Le refroidissement du condenseur ne doit pas se faire en évaporant de l'eau dans l'atmosphère puisque les circuits de la batterie de Carnot avec pompe à chaleur sont complètement fermés. Il n'y a donc pas de légionellose à craindre. Cette batterie n'a donc pas besoin d'être à proximité d'une grande quantité d'eau, contrairement aux centrales nucléaires. Les centrales thermiques ne seront donc jamais en nombre suffisant pour couvrir tous les besoins d'un pays, car les sites favorables manqueront nécessairement. Surtout que pour remplacer toute notre dépendance aux énergies fossiles, il faudra construire des centaines de centrales nucléaires. De ce point de vue, le renouvelable a plus d'avenir, car couplé à nos énormes batteries, il peut être multiplié à l'envi.  Et on ne pourra plus lui reprocher son intermittence. Voici une confirmation de tout cela : https://www.connaissancedesenergies.org/tribune-actualite-energies/secheresse-crise-energetique-et-nucleaire-en-france-quels-liens De plus, par rapport à sa capacité, cette batterie par pompage turbinage thermique occupe peu de place au sol : nous verrons ci-dessous qu'une batterie d'une capacité de 3,3 GWh n'occupe qu'une surface de moins de 50 ares.

Prenons un exemple.
   
Supposons que l'énergie stockée dans une batterie par pompage turbinage thermique est de 3.300.000 kWh.
                      
La température dans le réservoir chaud va évoluer entre 500 °C et 300 °C. Cette température de 500 °C doit être atteinte grâce à la pompe à chaleur. Ces pompes à chaleur existent. En effet, si l'air est comprimé à 35 bars, sa température  passe de 20 °C à 548 °C. La température moyenne dans le réservoir chaud est donc 400 °C. Le réservoir froid contiendra de l'eau qui est constamment en train de congeler et de décongeler. Ce réservoir contient donc un mélange  d'eau liquide et de glace en proportions variables suivant les calories qui auront été extraites. Ce réservoir est donc toujours à 0°C.

Si nous appliquons ces températures de 400 °C et 0 °C à une turbine à vapeur, on peut calculer son rendement de Carnot, un rendement théorique qu'il n'est pas possible de dépasser. Ce rendement est dépendant uniquement des températures et il vaut (400 - 0) / (400 + 273) = 59,4 %. Nous avons ajouté 273 ° aux 400 °C pour obtenir les températures en degrés Kelvin. Si nous voulions stocker la chaleur dans de l'eau, la température ne pourrait pas dépasser 100 °C, sinon elle devient de la vapeur et provoque des pressions très dangereuses. Mais l'efficacité aller-retour ne serait que de 20 %, tandis qu'à 400 °C, cette efficacité se situe entre 50 % et 60 %.

Dans notre exemple, la batterie doit fournir 3.300.000 kWh, ce qui correspond aux 59,4 % utiles. Le réservoir froid doit refroidir la turbine en lui enlevant 100 % - 59,4 % = 40,6 % de l'énergie apportée à la turbine. Le réservoir froid devra donc contenir 40,6 / 59,4 * 3.300.000 kWh = 2.250.000 kWh. De façon théorique, le réservoir chaud devra apporter à la turbine 2.250.000 + 3.300.000 = 5.550.000 kWh.

Malheureusement, ceci serait exact si la transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique était parfaite. Or, quand la vapeur frappe les aubes de la turbine, il y a des turbulences qui provoquent des pertes. Supposons que celles-ci s'élèvent à 20 %. On dira alors que la turbine a un rendement isentropique de 80 %, un chiffre généralement cité. Cette perte doit permettre d'obtenir en sortie de la turbine 3.300.000 kWh consommés + le froid retiré au condenseur de la turbine, soit 2.250.000 kWh. Le réservoir chaud devra donc fournir à la turbine 5.550.000 kWh / 0,80 = 6.900.000 kWh. La perte isentropique dans la turbine vaut donc 6.900.000 - 5.550.000 = 1.350.000 kWh.

La perte dans le compresseur étant immédiatement dissipée dans celui-ci au moment où l'énergie à stocker entre dans la batterie, elle ne doit donc pas être stockée.

Supposons que le rendement isentropique du compresseur de la pompe à chaleur est également de 80 %. Le compresseur reçoit les calories du réservoir froid (2.250.000 kWh) et y ajoute l'énergie à stocker qui vient des panneaux solaires (3.300.000 kWh). Les panneaux solaires doivent aussi lui fournir la perte isentropique dans la turbine (1.350.000 kWh) ainsi que sa propre perte. Le compresseur va devoir traiter 2.250.000 kWh +  3.300.000 kWh + 1.350.000 kWh = 6.900.000 kWh. Avec la perte isentropique dans le compresseur, l'énergie qui va le traverser est  6.900.000 kWh / 0.80 = 8.625.000 kWh. La perte isentropique dans le compresseur est donc 8.625.000 kWh - 6.900.000 kWh = 1.700 kWh. Les éoliennes devront apporter à la batterie 3.300.000 kWh + 1.350.000 kWh + 1.700 kWh = 6.350.000  kWh. La batterie va restituer 3.300.000 kWh. L'efficacité aller-retour de notre batterie sera 3.300.000 kWh / 6.350.000 kWh = 52 %. Si les rendements isentropiques sont de 85 %, le même calcul donne une efficacité aller-retour de 60 %. La littérature annonce généralement une efficacité comprise entre 40 et 70 %.  

Il est probable que la perte dans le compresseur se retrouvera sous forme de chaleur dans le réservoir chaud. Cette perte ne devrait donc ne pas en être une. A vérifier.

La chaleur qui est retirée au condenseur de la turbine ne quitte pas la batterie et ne doit donc pas être apportée de l'extérieur. Dans une centrale nucléaire ou au charbon, le chaleur retirée au condenseur est dissipée dans les grandes cheminées hyperboliques et est donc perdue. Il faut donc continuellement apporter cette chaleur perdue, ce qui n'est pas le cas avec notre batterie de Carnot avec pompe à chaleur, puisque la chaleur retirée du réservoir chaud retourne dans le réservoir froid et vice-versa.

Le volume du réservoir froid sera de 2.250.000 kWh / 93 kWh/m³ nécessaires pour congeler 1 m³ d'eau, soit un réservoir froid de 24.000 m³. Le réservoir chaud contiendra un lit de roche, comme le basalte par exemple. Les dimensions du réservoir chaud contenant du basalte seront données par

6.350.000 kWh / (500 °C - 300 °C) / 2.800 kg/m³ poids spécifique du basalte / 0,2 chaleur massique basalte * 860  kcal/kWh = 49.000 m³. Cependant, calculons quelle seront les déperditions de chaleur au travers des parois du réservoir chaud. S'il mesure 50 m long * 50 m large * 20 m haut, sa surface extérieure sera de 9.000 m².

Pour connaître les déperditions au travers des parois, j'utilise la formule : Surface * différence de température / épaisseur de l'isolant * coefficient de l'isolant * durée, soit après 6 mois de conservation :

9.000 m² * 400 °C / 2 m isolant * 0,04 coefficient laine de roche * 6 mois * 30 jours/mois * 24 heures / 860 kcal/kWh = 360.000 kWh, alors que 6.900.000 kWh se trouvent dans le réservoir chaud, soit une perte de 6 % en 6 mois. La perte est donc extrêmement réduite. Physiquement, on peut imaginer que la chaleur au centre de cet immense réservoir mettra énormément de temps pour atteindre la paroi extérieure. Cette batterie convient donc très bien pour un stockage de très longue durée, donc un stockage inter-saisonnier, par exemple  pour utiliser en hiver la production estivale des panneaux solaires.

Un petit dessin vaut mieux qu'un long discours :

D'abord quand les panneaux solaires chargent la batterie.

  


Ensuite, lorsqu'on récupère l'électricité stockée.




J'aimerais faire construire une batterie de Carnot avec pompe à  chaleur d'une capacité de 3.300 kWh dans le verger qui entoure ma  maison. Avec mes 88 m² de panneaux photovoltaïques, je serais parfaitement autonome, même en comptant le chauffage de ma maison puisqu'elle est chauffée avec une pompe à chaleur à  géothermie horizontale. C'est possible avec le stockage inter-saisonnier de l'électricité que je propose. L'électricité utilisée en hiver aura été récoltée en été et les pertes après 6 mois sont inférieures à 6 % voire quasi nulles en hiver. Le moteur sera un moteur Stirling à piston libre ou si cela se trouve, une micro-turbine. J'ai pensé à ce qui suit.

Le réservoir chaud ne serait plus si chaud que ça, puisqu'il contiendra de l'eau constamment à 0 °C, et cette eau va subir un changement d'état en devenant de la glace. Ce changement d'état demande 80 kcal/ kg eau. Un mètre cube d'eau qui congèle fournit donc 80.000 kcal / 860 kWh/kcal = 93 kWh. Le réservoir chaud doit contenir 6.900 kWh si nous voulons une capacité de la batterie de 3.300 kWh, et son volume sera 6.900 kWh / 93  kWh/m³ = 74 m³. Ce réservoir pourra être fait en béton qui est moins cher que l'acier, mais l'eau qu'il contient ne pourra pas contenir de chlorures ou de sulfates qui attaquent le béton.

Lors du stockage, l'eau se trouvant dans ce réservoir "chaud" est chauffée sans que sa température ne bouge par une pompe à chaleur qui extrait les calories du réservoir froid en y ajoutant l'énergie qui vient de mes panneaux solaires via le travail du compresseur. Contrairement aux pompes à chaleur dans nos maisons, ce travail doit être le plus grand possible et le COP doit être aussi mauvais que possible. Le réservoir froid contiendra également un mélange d'eau et de glace. Le réservoir chaud et le réservoir froid ont la même température, 0 °C, et lorsque l'un congèle, l'autre dégèle, et vice versa.

                                         

Parlons maintenant du déstockage. Un moteur à combustion externe comme un moteur Stirling ou une turbine est pourvu de 4 tuyaux : une entrée et une sortie côté chaud et une entrée et une sortie côté froid.

Sur le dessin, le réservoir chaud est en rouge, le réservoir froid est en bleu, le moteur est en jaune. L'électricité qu'on peut utiliser est la flèche verte vers la droite.

Lorsqu'on veut récupérer l'électricité stockée, une pompe à chaleur (PAC sur le dessin) fonctionnant avec l'électricité produite par la batterie elle-même extrait la chaleur du réservoir "chaud" où un peu plus de glace va se former tout en restant à même température. Cette pompe à chaleur cède la chaleur au tuyau qui alimente le moteur. Ce qui compte, c'est d'arracher des calories au réservoir froid. Toutefois, nous avons besoin de 500 °C à l'entrée du moteur. En effet, si la batterie de Carnot est faite avec un réservoir chaud avec de l'eau à 90 °C et une turbine qui travaille avec des températures entre 70 °C et 120 °C, l'efficacité  aller-retour de la batterie ne serait que de 20 % ou moins. En effet, avec d'aussi basses températures, le rendement théorique de Carnot est très réduit (90 - 0) / (90 + 273) = 24 %. Cela veut dire que pour une même quantité d'électricité restituée par la batterie, il y aura une beaucoup plus grande quantité de fluide inutile qui traverse la turbine, donc avec des pertes en proportion. D'où cette très mauvaise efficacité aller-retour. Avec une température de 400 °C, le rendement de Carnot est bon et évite ces pertes. En effet, au lieu de 24 %, nous aurions (400 - 0) / (400 + 273) = 60 %, ce qui va améliorer l'efficacité aller-retour de la batterie.

Une partie de l'électricité produite par le moteur va alimenter une résistance électrique qui va porter le fluide caloporteur au sortir de la pompe à chaleur depuis 60 °C jusque 500 °C en C sur le dessin. Entre C et D, le fluide caloporteur cède de l'énergie au moteur mais doit encore être assez chaud en D. Ce fluide retourne se refroidir en B dans le réservoir chaud qui est toujours à 0 °C. Lorsqu'il repasse en A, il devrait avoir à nouveau une température proche de 0 °C. En H, le fluide caloporteur sort à une température proche de 0 °C et va refroidir le moteur entre F et E. En E, le fluide sort à une température plus élevée et retourne en G se refroidir à une température proche de 0 °C. Finalement, le réservoir chaud sera un peu moins chaud et le réservoir froid sera un peu plus chaud. Quand on fait le bilan des kWh, le réservoir chaud aura perdu de l'énergie qui va devenir l'électricité récupérée ainsi que l'énergie qui va se retrouver dans le réservoir froid. La somme de toutes les énergies dans ce système devant rester constante, il y aura finalement un peu moins d'énergie dans les réservoirs, au prorata de ce qui aura été prélevé comme électricité. Comme la différence de température appliquée au moteur est 500 °C - 0 °C, le rendement de Carnot devrait être bon et l'efficacité aller-retour de la batterie devrait être satisfaisante.

Comme les réservoirs sont toujours à 0°C, alors qu'en Belgique l'air à l'extérieur est souvent en moyenne à 15°C, il n'y a qu'un écart moyen sur toute l'année d'une dizaine de degrés. Les déperditions de chaleur seront très faibles. Les dimensions du réservoir de 74 m³ sont 4,2 m * 4,2 * 4,2. Sa surface est  de 106 m² et la perte de chaleur en six mois est de 106 m² * 10 °C /  0,5 m épaisseur isolant * 0,04 coefficient isolation * 6 mois * 30 jours  * 24 heures/jour / 860  kcal/kWh = 426 kWh perdus en 6 mois, donc 426  kWh perdus / 6.900 kWh contenus = 6 % perdus en six mois. En hiver, nous avons 0 °C à l'intérieur des réservoirs comme à l'extérieur. A ce moment, les pertes sont pratiquement inexistantes. Dans ces conditions, de très petits réservoirs peuvent faire du stockage inter-saisonnier de la chaleur, alors qu'à 500 °C, ils perdent tout leur contenu en quelques jours. De plus, comme le réservoir "chaud" n'est vraiment pas chaud, l'isolant peut être de la paille qui est un très bon isolant puisque son coefficient d'isolation est 0,05 contre 0,04 pour la laine de verre, donc pratiquement la même chose et que la paille coûte beaucoup moins cher que les autres isolants.

Dès lors, cette batterie devrait coûter moins de 20 € / kWh stocké. Une batterie Tesla MegaPack de 3.900 kWh avec du lithium coûte 1 million d'euros ou 256 € / kWh stocké. On voit donc la  différence, tandis que les batteries au lithium domestiques coûtent 1.000 €/kWh.

Comme les deux réservoirs sont strictement à la même température, on peut les accoler sans mettre d'isolant entre eux. Nous épargnons donc une paroi en béton ou en acier ainsi que deux couches d'isolant. Comme l'isolant est bon marché, ce gain sur l'isolant ne sera pas très important mais cela permet d'épargner de la main d'oeuvre, et là c'est intéressant.  

Cette  batterie aura probablement besoin d'un petit délai pour répondre à un appel brusque d'électricité, puisqu'il faut faire venir la chaleur depuis le réservoir chaud jusqu'à la turbine. Un volant d'inertie prendra le relais pendant ce laps de temps, puisque les volants d'inertie sont capables de fournir un grosse puissance pendant un temps assez court. La batterie fournira l'énergie nécessaire à la rotation de ce volant. Il est probablement plus simple d'équiper ma batterie de Carnot d'une petite batterie au lithium de 1 kWh de capacité.

L'inconvénient de cette batterie est que beaucoup d'énergie circule en interne, et que le moteur sera assez gros. Il est probable que la puissance du moteur sera 10 fois celle de la batterie. Mais les très faibles pertes de chaleur des réservoirs sur un très long terme est un atout majeur. Avec une très haute température, le moteur est plus gros mais l'efficacité aller-retour de la batterie est meilleure, et inversement.

Rien n'empêche d'avoir une batterie de 3,3 GWh qui travaille selon le même principe. Le réservoir chaud aura alors un volume de 74.000 m³, soit 60 m * 60 m *  20 m, soit une surface au sol de 36 ares. Les deux réservoirs ensemble occuperont 54 ares au sol. Une grande éolienne terrestre a une puissance de 2 MW et un taux de charge de 25 % pendant lesquels nous avons tout le temps du vent. Par jour, cette éolienne produit 0,5 MW * 24 heures = 12 MWh. Cette énorme batterie aura une capacité de stockage de 3.300 MWh. Pour la remplir avec l'éolienne, il faudra donc près de 300 jours. C'est dire si cette batterie est costaude.

Si cette batterie est associée à une éolienne terrestre de 2 MW, une turbine de 20 MW comme la turbine SST-200 de Siemens convient très bien. En voici une photo :
                                                  
On voit que cette machine n'est pas trop grande.

Cette batterie serait vraiment une avancée significative en vue de rendre les énergies renouvelables crédibles, car elle est constituée d'acier, de roches et d'eau, tous des éléments abondants dans la nature (il y a 2.000 fois plus de fer que de lithium dans le monde) et facilement recyclables.

Deux entreprises utilisent cette technologie : le Français Stolect et l'Américain Malta Inc. qui a des implantations en Espagne et en Allemagne. Voici un peu de documentation.
   
Le réservoir froid y est à - 65 °C, ce qui améliore l'efficacité aller-retour de la batterie par rapport à ce que nous avons présenté puisque notre réservoir froid était à 0 °C constant, ce qui était plus facile pour expliquer. Toutefois, le basalte, ce n'est pas comme l'eau qui congèle. S'il doit refroidir le condenseur de la turbine, sa température ne va pas rester constante à -65 °C, mais va remonter. Si le réservoir froid contient du basalte dont la température évolue de - 65 °C à + 65 °C, le réservoir devra avoir un volume de 2.250.000 kWh / (65 °C - -65 °C) / 2.800 kg/m³ poids spécifique du basalte / 0,2 chaleur massique basalte * 860  kcal/kWh = 26.500 m³..Nous voyons que le volume du réservoir froid contenant du basalte est le même que celui contenant de la glace fondante, et comme la température moyenne dans les deux réservoirs est la même (0 °C), l'efficacité aller-retour est la même également mais va fluctuer de façon plus importante avec le basalte.

Comparons le nucléaire au renouvelable.

Aperçu IA       L'affirmation selon laquelle un faible taux de charge (ou facteur de charge) rend les centrales nucléaires peu économiques est correcte,  car le nucléaire est une énergie à forte intensité de capital (coûts de  construction très élevés) et à faibles coûts opératoires.
Cependant,  dans la pratique, le nucléaire est généralement conçu pour fonctionner  avec un taux de charge élevé, ce qui en fait une source de production de  base compétitive, contrairement à cette affirmation dans un scénario de  fonctionnement optimal.
Voici l'analyse détaillée du lien entre le taux de charge nucléaire et l'économie :
1. Pourquoi un faible taux de charge = Pas économique
  • Coûts fixes élevés :  La majorité des coûts du nucléaire (construction, démantèlement,  maintenance, sûreté) sont fixes. Qu'une centrale produise 100 % ou 50 %  de sa capacité, ces coûts restent les mêmes.
  • Amortissement difficile :  Si le taux de charge est faible (centrales fonctionnant peu), le coût  par mégawattheure (MWh) produit explose, rendant l'énergie produite très  chère.
  • Le nucléaire n'est pas "flexible" :  Contrairement aux centrales à gaz qui peuvent s'allumer/s'éteindre  rapidement, forcer un réacteur nucléaire à moduler sa puissance (suivi  de charge) réduit son efficacité économique et technique.
2. Le scénario réel : Un haut taux de charge est économique
  • Taux de charge élevé :  Le nucléaire possède l'un des taux de charge les plus élevés de toutes  les énergies (plus de 92% aux USA en 2024), fonctionnant presque en  continu.
  • Coût de production compétitif :  Grâce à ce fonctionnement en base, le coût du nucléaire est compétitif,  surtout lorsque l'on prend en compte les coûts système (coûts de  transport, de stockage et de secours nécessaires pour les EnR  intermittentes).
  • Compétitivité avec les EnR : Avec un taux de charge supérieur à 68 %, le nucléaire est souvent moins cher que le charbon ou le gaz, selon les analyses.
3. Les nuances et contextes
  • Concurrence des EnR (effet de "cannibalisation") :  Si le marché est inondé d'énergies renouvelables (solaire/éolien) à  coût marginal très faible, le taux de charge du nucléaire peut être  forcé à la baisse (par exemple de 90 % à 60 %), ce qui nuit fortement à  sa rentabilité.
  • Coûts de construction :  Le surcoût de construction des nouveaux réacteurs (EPR2 par exemple)  peut rendre le nucléaire peu compétitif même avec un fort taux de charge  si les coûts d'investissement sont trop élevés.
Conclusion
Le nucléaire est très économique en base (fort taux de charge) mais non rentable  en pilotage flexible ou si contraint à une faible production (faible  taux de charge). L'enjeu économique est de maintenir le réacteur le plus  longtemps possible à pleine puissance.
Avec de très nombreuses batteries de Carnot avec pompe à chaleur d'une capacité de 3 GWh, le coût du stockage est très bas et l'intermittence des énergies renouvelables n'est plus un problème.

Il est probable qu'il sera impossible de déployer le nucléaire à grande échelle, car les centrales thermiques doivent toujours être placées à côté de grands fleuves. Il y a peu de temps, à la demande d'Elia, le gestionnaire de réseau en Belgique, Tractebel n'a retenu que deux sites possibles en Belgique, Doel au bord de l'Escaut et  Chertal entre la Meuse et le canal Albert. Lorsque nous avions 7 centrales nucléaires, elles se trouvaient également le long de l'Escaut ou de la Meuse, et pas le long de rivières comme la Senne ou de la Lesse. Près de chez nous, Chooz est également le long de la Meuse. Cela montre la dépendance de ces centrales à un approvisionnement massif en eau. Si leur nombre devra être limité, ce n'est pas à cause de la radioactivité mais bien pour des raisons de thermodynamique.
      
En réalité, nous avons besoin de beaucoup plus de centrales. Où les met-on ?   

En Belgique, le fossile représente 67 % de notre consommation totale qui est de 400 TWh/an, l'électricité 17 % et le nucléaire 39 % de la production d'électricité, soit 7 % du total. Si on veut remplacer tout le fossile exclusivement par du nucléaire, il faudrait construire 30 centrales de 1 GW de puissance. Où les met-on ? En France, 60 % de toutes les énergies sont fournis par le fossile et 20 % proviennent des 57 centrales nucléaires existantes. Cela signifie qu’il faudra arriver à un total de 57 * 3 = 171 grosses centrales de 1 GW supplémentaires. Où les met-on ? Une possibilité en France est de le mettre le long du rivage atlantique. En Belgique, ce ne devrait pas être possible, la longueur de la côte étant trop petite. Toutefois, en France, ces centrales seraient alignées sur une ligne et chaque centrale recevrait les eaux réchauffées des voisines. Il est possible que ce ne soit pas une solution.
      
Une centrale nucléaire est modérément pilotable d’un point de vue technique, mais nous avons vu qu'elle est une aberration économique si elle ne fonctionne pas à plein régime en permanence. Cela vient du fait que sa construction demande des capitaux énormes tandis que l’exploitation ne coûte rien. En supposant que l'impossible devienne réalité, donc si toute notre énergie vient du nucléaire, comment fait-on pour gérer les heures pleines et les heures creuses, puisqu'aux heures creuses, le prix de l'électricité sera exorbitant ?       
      
Le refroidissement des centrales thermiques pose problème à cause d’un manque de sites suffisamment pourvus en eau. Il y a encore un autre inconvénient. On parle beaucoup des SMR, les centrales nucléaires de petite taille. Leur nombre sera au minimum le triple des centrales de 1 GW, puisqu’elles ont une puissance sous les 300 MW. Il est probable qu’on les refroidira avec des aéroréfrigérants qui peuvent provoquer des légionelloses, surtout si ces installations sont proches de la population du fait de leur grand nombre, car elles produisent des aérosols. Avec la batterie de Carnot avec pompe à chaleur, ce n’est pas possible, car tout se passe en circuit fermé. https://aida.ineris.fr/inspection-icpe/air/prevention-legionnellose/tours-aerorefrigerantes Voici une photo du centre de recherche nucléaire à Mol en Belgique. On voit les aéroréfrigérants à droite.
               
Ce n'est donc pas une grande centrale nucléaire. Si un réacteur d'une centrale de 1 GW comme à Tihange a 60m de haut, un SMR n'aura que 20 m de haut, probablement quelque chose comme le dôme qu'on voit sur la photo ci-dessus. On voit donc que les aéroréfrigérants seront assez près du sol. On voit aussi qu'il faut de l'eau et que ces unités de refroidissement ne sont pas si petites que ça, alors que le dôme que l'on voit au centre n'est pas très grand.

Les SMR s'annoncent  comme la solution miracle. On dit qu'elles seront beaucoup moins chère  du fait de leur fabrication en série. Toutefois, j'entends qu'il y a  bien 60 start ups qui proposent chacune une technologie différente. ce qui s'oppose d'une  certaine façon à la standardisation. Lorsque Jancovici préfère le  nucléaire à l'éolien, c'est d'après lui parce qu'une grosse centrale  demande beaucoup moins de matériaux pour sa construction que de très  nombreuses éoliennes. On peut appliquer le même raisonnement aux SMR.  Ce qu'on va gagner par la fabrication en série sera perdu en devant  utiliser plus de matériaux.  
      
Le renouvelable épaulé par un très grand nombre de batteries de Carnot de 3 GWh peut être déployé sans limite, ce qui n'est pas possible avec le nucléaire. Même si on accepte les dangers du nucléaire, notamment la gestion de ses déchets, c'est surtout le fait d'être une centrale thermique qui empêche le déploiement du nucléaire à grande échelle.       

"Début 2026, le prix d'unTesla Megapack (version 2 heures) se situe aux alentours de 1,1 à 1,3 million de dollars par unité, des montants pouvant fluctuer selon la configuration, le lieu  d'installation et les coûts de projet. Ces batteries industrielles  visent le stockage d'énergie à grande échelle (1 MW / 3,9 MWh à 5 MWh).
  • Coût unitaire : Estimé à environ 1,12 million d'euros ou plus de 1,2 million de dollars par Megapack.
  • Capacité : Les modèles récents atteignent 3,9 MWh (version 4h) à 5 MWh (Megapack 3) par unité.
  • Usage : Destiné au stockage d'énergie pour le réseau, les énergies renouvelables et les entreprises.
Le prix peut varier en fonction des frais de transport, de l'installation sur site et des mises à jour technologiques de Tesla.", soit 1.120.000 € / 4.000 kWh = 250 €/kWh".

Par contre,
"Comparaison technique : Batterie de sable vs Lithium-ion
Critères Batterie de sable                                  Batterie Lithium-ion
Coût d'installation   < 10 €/kWh                         150-300 €/kWh
Durée de vie          > 20 ans                               10-15 ans
Matériaux              Sable industriel, acier              Lithium, cobalt, nickel
Température de fonctionnement  600°C                -20°C à +60°C""

Les réservoirs thermiques coûtent très peu et d'autant moins qu'ils sont grands.

"Le prix d'une turbine à vapeur Siemens de 20 MW en 2026 s'inscrit dans une fourchette large,
estimée entre 6 et 50 millions de dollars (USD) pour des installations à cycle combiné.  Ces coûts varient considérablement selon les spécifications techniques,  les accessoires, l'installation, et les conditions du marché en 2026.
Facteurs clés influençant le prix (Estimations 2026) :
  • Puissance et Type :  Une turbine de 20 MW est dans la moyenne basse des grandes  installations, souvent utilisée pour des applications industrielles ou  de cogénération."

J'ai trouvé une turbine vendue en occasion :
Siemens 60Hz 22 MW Vapeur Gaz Turbine SST-600 12 MW Compresseur 10 MW Générateur  :  184 587,66 EUR

Pour une batterie de Carnot avec pompe à chaleur d'une capacité de 3,3 GWh, un coût inférieur à 50 €/kWh stocké semble plausible. A comparer avec les 250 €/kWh du lithium. Si le nombre de ces batteries de Carnot commercialisées est important, leur prix ne peut que diminuer.

La puissance des batteries électro-chimiques telles que celles au lithium est liée à leur capacité. Pour les batteries de Carnot, il n'en est rien. En effet :
"La puissance d'une batterie lithium est liée à sa capacité car une plus grande capacité (Ah) implique une plus grande surface d'électrodes et plus de cellules actives, permettant de libérer plus d'ions lithium simultanément. Une capacité élevée augmente la densité énergétique, autorisant un débit de courant plus intense sans surcharge, crucial pour les moteurs."

Une ville d'un million d'habitants comme Bruxelles devrait compter quelque chose comme 250.000 ménages. Un ménage consomme 3.500 kWh d'électricité par an, soit 3.500 kWh / 365 jours = 10 kWh/jour. Une voiture électrique consomme 20 kWh pour rouler 100 km. Supposons que tous ces ménages aient cette voiture électrique (c'est exagéré, mais Allons-y Chochotte, allons-y, une chanson d'Erik Satie). Pour alimenter Bruxelles pendant un jour, il faudrait donc (10 kWh + 20 kWh) * 250.000 ménages = 7,5 GWh, soit 2 batteries de Carnot avec pompe à chaleur de 3,3 GWh qui occupent une surface au sol de 1 hectare. Pour avoir une réserve d'électricité pour une semaine, une surface au sol de 7 hectares serait suffisante. Et ce, pour une ville de un million d'habitants. Mais tous n'auront pas une voiture électrique.

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Si nous pouvons stocker l'électricité sur le long terme et en grandes quantités,  je me pose la question de savoir si isoler les maisons drastiquement pour avoir un PEB A est souhaitable. Je me demande ce qui est le moins cher : isoler les maisons parfaitement ou garder des passoires qu'on chauffe avec une éolienne supplémentaire.

Isoler une maison de cette façon coûte 150.000 € d'après le représentant de la Confédération de la Construction en Belgique en 2023.

En Belgique, une maison-passoire consomme environ 20.000 kWh pour le chauffage, supposons pendant 150 jours d'hiver. Cette maison a donc besoin de 20.000 kWh / 150 jours = 133 kWh/jour.

Une éolienne terrestre a une puissance d'environ 2 MW à terre et 6 MW en mer. Prenons une moyenne de 4 MW. L'IA me dit ceci :

"Le taux de charge (ou facteur de charge) des éoliennes en mer du Nord est élevé, généralement entre 40 % et 65 %,  bien supérieur à celui des éoliennes terrestres (environ 25 %), grâce à  des vents plus forts et réguliers, avec des parcs récents atteignant  souvent 40-50 %, et des records comme 57 % pour un parc écossais,  démontrant une production presque continue, parfois 95 % du temps, tout en s'ajustant aux besoins du réseau."

Prenons un taux de charge de 40 %. Par jour, une éolienne produit donc 4.000 kW * 24 heures * 0.4 = 38.400 kWh/ jour.

Cette éolienne pourra donc assurer le chauffage de 38.400 kWh / 133 kWh = 288 maisons qui, si elles avaient été bien isolées auraient coûté 150.000 € * 288 = 43,2 millions d'euros.

"Le  prix d'une éolienne varie énormément selon la puissance (de quelques MW  à 10+ MW) et le type (terrestre ou en mer), une éolienne terrestre de 4  MW coûtant environ 4,8 millions d'euros, tandis que les projets en mer  (offshore) sont bien plus chers (milliards d'euros pour des parcs) en  raison des coûts d'installation et des technologies spécifiques, les prix remontant récemment pour l'offshore à cause des goulets d'approvisionnement."

"Les sept premiers projets de parcs éoliens en mer posés français et leurs raccordements ont coûté entre 1,4 et 2,2 milliards d'euros par projet, pour des puissances comprises en 450 et 600 MW.", soit 4 MW / 500 MW * 2 milliard d'euros = 16 millions d'euros pour une éolienne de 4 MW.

Comme l'isolation de 288 maisons aura coûté 43,2 millions d'euros, nous voyons qu'isoler les maisons de façon poussée coûte près de 3 fois plus cher à l'économie nationale que de construire une éolienne supplémentaire. Un juste milieu est probablement souhaitable, car une maison très mal isolée mais chauffée de façon intense est malgré tout moins confortable qu'avec un peu d'isolation.

Pour assurer tous les jours un chauffage continu de ces maisons peu isolées, il faut disposer constamment d'une réserve d'électricité importante. Avec les batteries électriques par pompage turbinage thermique, cela devient possible, même avec le renouvelable.

Vouloir que toutes les maisons aient un PEB A signifie que toutes ces maisons doivent être des maisons passives. Mais une maison passive n'est pas seulement une maison bien isolée. Elle doit répondre à des critères bien précis pour arriver à cette performance. Elle sera principalement chauffée par la chaleur dégagée par ses occupants et par les apports du soleil. Depuis de nombreuses années, je constate qu'en cas d'anticyclone en hiver, le temps reste couvert, les nuages étant plaqués au sol, alors qu'il devrait faire beau. Et cela dure souvent un mois. Donc, pendant ce temps, pas de soleil. Il faut aussi que le soleil entre dans la maison. Il faut donc que les ouvertures soient bien orientées vers le Sud. Il faudra donc faire pivoter toutes les maisons existantes. Derrière chez moi, on a construit une maison passive dont les plus grandes fenêtres sont orientées ... au Nord. Compter sur la chaleur humaine quand on vit seul et qu'on ne dégage qu'une puissance de 100 W par personne est une utopie. Dans les maisons passives, une ventilation à double flux est obligatoire, mais elle consomme malgré tout par an environ 1.000 kWh. Ce n'est donc pas si passif que ça. Résultat : mes voisins avaient froid et ont dû placer un poêle à pellets.

Les pompes à chaleur air-eau devraient avoir un COP de 1,7 à -5 °C extérieur. Pour une pompe à chaleur, ce n'est pas fameux, mais cela signifie que si 1,7 chauffe notre maison, 0,7 viennent gratuitement de l'air extérieur et 1 du réseau électrique. Autrement dit, nous faisons une économie de 40 %, ce qui n'est pas si mal. Cela allège notre empreinte sur le climat ainsi que la demande sur le réseau électrique. Donc, c'est très bien. Mais il faudra que les taxes sur l'électricité diminuent fortement si on veut que ce chauffage ne coûte pas plus cher que celui avec le gaz. C'est tout à fait réalisable, puisque la quantité d'électricité consommée au niveau d'un pays sera nettement plus élevée et si les accises sont moindres, ces taxes réduites devraient rapporter autant aux pouvoirs publics. A comparer avec les taxes qui venaient du gaz.
  
Les pompes à chaleur hybrides passent la main à une chaudière au gaz quand il fait trop froid. Si le COP d'une pompe à chaleur est en moyenne 2 pour tout l'hiver, cela voudrait dire que je reçois la moitié de mon chauffage gratuitement. Or, je vois sur mes factures que mon électricité coûte le double de mon gaz. Dès lors, par froid glacial, la pompe à chaleur apporte pour le même prix autant de chaleur dans la maison que la chaudière au gaz, puisqu'elle utilise la moitié d'énergie qui coûte le double (comme on ne brûle plus de gaz, c'est très bon pour le climat) et on peut se demander pourquoi on a encore besoin de la chaudière au gaz comme proposé avec les pompes à chaleur hybrides, puisque cette chaudière au gaz n'apporte aucun bénéfice financier ou environnemental par rapport à la pompe à chaleur. Les pompes à chaleur hybrides semblent donc être superfétatoire. De même, quand je lis que les pompes à chaleur air-air sont pourvues d'une résistance électrique qui doit prendre le relais lorsqu'il fait trop froid, cela semble incorrect, puisque par temps froid, la pompe à chaleur garde toute son utilité. Un gain de 40 %, ce n'est quand même pas mal. Cette résistance d'appoint ne devrait donc fonctionner qu'en cas de panne, afin que la maison reste chauffée malgré la pompe à chaleur défectueuse.
  
Avec les pompes à chaleur géothermique, c'est encore beaucoup mieux : on bénéficie d'un COP de 4 tout l'hiver. Cela signifie que notre facture d'électricité est divisée par 4 et cela allège d'autant le réseau.
  
Jai vu un reportage qui prend comme exemple une maison où on chauffe 5 pièces. Lorsque, dans les années futures, l'énergie sera devenue encore plus précieuse qu'actuellement, il sera sage de ne plus chauffer qu'une ou deux pièces au maximum, comme on le faisait autrefois. J'ai la souvenance que dans les années '50, on chauffait surtout la cuisine qui était pratiquement la salle de séjour puisqu'on avait besoin de la chaleur du poêle au charbon pour cuire les aliments. Les autres pièces n'étaient pas chauffées.

De très nombreuses batteries utilisant le pompage turbinage thermique disséminées sur tout le territoire d'un pays permettent un approvisionnement sûr à partir du renouvelable. Nous obtenons alors une infrastructure décentralisée qui est beaucoup plus robuste qu'un système centralisé.


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Nous avons vu que sous + 7 °C, une pompe à chaleur ne fonctionne pas bien. Les pompes à chaleur à géothermie horizontale prélèvent la chaleur dans le sol du jardin, à une profondeur de 1,2 mètre où il y a toujours plus de 10 °C, même quand il gèle à pierre fendre. Cette pompe à chaleur est donc toujours performante. Mais pour installer la géothermie horizontale, il faut un grand terrain. Je me suis donc demandé si accumuler la chaleur dans un réservoir d’eau en été pour la restituer en hiver en étant secondé par une pompe à chaleur ne serait pas une bonne idée.

Je lis : « Aperçu IA. La consommation de chauffage pour une seule pièce (chambre ou petit salon de 15-20 m²) se situe généralement entre 1 000 et 2 500 kWh/an, selon l'isolation et la fréquence d'utilisation. » Il n’est pas nécessaire de chauffer entièrement une maison de façon continue. Chauffer un nombre de pièces limité est plus sage. Nous y serons obligé dans le futur quand le pétrole bon marché aura disparu.

Les panneaux photovoltaïques sur le toit d’une maison ont généralement une superficie de 20 m². Ces panneaux produisent en Belgique 200 kWh/m² et par an. La production annuelle d’électricité solaire de cette maison est donc de 4.000 kWh. C’est trop peu pour chauffer une maison. Une maison avec 35 m² de panneaux bénéficie de 7.000 kWh/an. Si la maison n’est pas trop mal isolée, cela pourrait aller.

Un mètre cube d’eau chauffé entre 10 °C et 90 °C a emmagasiné (90 – 10 ) * 1 chaleur spécifique de l’eau * 1.000 kg eau/m³ / 860 kWh/kcal = 93 kWh/m³. Pour stocker 7.000 kWh, il faudrait donc un réservoir de 7.000 kWh / 93 kWh/m³ = 75 m³, soit 4 m large * 4m haut * 4,7 m long. Cela pourrait se mettre dans un jardin.

La pompe à chaleur ne fonctionnera pas lorsque la température dans le réservoir est comprise entre 50 °C et 90 °C. Elle entrera en action sous 50 °C. Mais comme elle prélève les calories dans le réservoir où la température de l'eau ne descend pas sous + 10 °C, son COP sera toujours excellent. Cette solution devrait donc être très économique.

La chaleur contenue dans ce réservoir doit être conservée pendant 6 mois. Calculons sommairement la déperdition de chaleur pendant tout ce temps si le réservoir est isolé avec une épaisseur de 1 mètre de laine de verre. La surface du réservoir est 107 m². La température moyenne dans le réservoir est (90 + 10)/2 = 50 °C et la température moyenne à l’extérieur est (24 + 0)/2 = 12 °C. La déperdition de chaleur sera donc 107 m² * (50 -  12) / 1 m épaisseur isolant * 0,04 coefficient isolant * 6 mois * 30 jours/mois * 24 heures/jour / 860 kWh/kcal = 817 kWh perdus en 6 mois sur les 7.000 kWh contenus dans le réservoir, soit 11,7 %. La pompe à chaleur apportera un peu de chaleur avec l’électricité qu’elle consomme sur le réseau. Admettons que cela compense cette perte. La pompe à chaleur ne devra fonctionner que si la température dans le réservoir descend sous 50 °C.

Le taux d’autoconsommation des panneaux photovoltaïques est d’environ 33 %. Cela signifie que les appareils ménagers fonctionnent un tiers du temps quand il y a du soleil. Le reste du temps, les panneaux produisent de l’électricité qui est généralement injectée dans le réseau à un prix dérisoire. Ces 66 % seront mieux valorisés s’ils sont stockés dans le réservoir d’eau chaude.

La plupart des toits sont trop petits pour chauffer les maisons. On pourrait remplacer les chaudières au mazout ou au gaz chez les particuliers (qui devront de toute façon disparaître en même temps que les énergies fossiles vont devenir rares) par un grand boiler d'eau chaude placé dans le jardin qui sera chauffé à l'électricité prélevée sur le réseau pendant les heures creuses. Dans les pays ayant opté pour le tout nucléaire, le problème est de pouvoir lisser la consommation d'électricité entre les heures pleines et les heures creuses, car les centrales nucléaires ne sont que modérément modulables et sont une aberration économique si elles ne fonctionnent pas à plein régime de façon permanente. Le renouvelable quant à lui est intermittent. Avec de très nombreux boilers dans les jardins, la gestion du réseau électrique s'en trouverait fort simplifiée. Et répétons-le, le mazout et le gaz vont disparaître. Et que faisons-nous alors ?
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