Tout ce qu'il faut savoir sur les technologies avancées de chauffage à haute température pour l'industrie

La décarbonisation de l'industrie passe par la décarbonisation de l'électricité et de la chaleur. En principe, l'industrie peut assez facilement décarboniser sa consommation d'électricité, il suffit d'acheter de l'électricité verte.

C'est la chaleur qui constitue le véritable défi. Les besoins en chaleur de l'industrie sont incroyablement diversifiés, couvrant une large gamme de températures allant d'une température légèrement supérieure à la température ambiante pour le chauffage des fluides à plus de 1 400 °C pour la fabrication de l'acier. Et rien que dans l'UE, plus de 70 % du chauffage et du refroidissement sont produits à partir de combustibles fossiles.

Jetons un coup d'œil sur la chaleur à haute température.

• Quelles sont les technologies existantes ?
• Qui peut les utiliser ?
• Quels sont les aspects économiques de ces technologies ?
• Quels sont les liens avec le réseau et les technologies de stockage ?

Technologies avancées de chauffage électrique

Il existe déjà plusieurs technologies avancées de chauffage électrique pour les systèmes à demande de température élevée. Elles offrent une série d'avantages tels que des taux de chauffage plus rapides, une plus grande efficacité et un meilleur contrôle du processus de chauffage. En outre, elles sont plus respectueuses de l'environnement, ce qui est une évidence puisque vous pouvez utiliser de l'électricité verte.

Voici quelques exemples :

1. Lechauffage par résistance: Il s'agit d'une technologie de chauffage courante qui consiste à faire passer un courant électrique à travers un matériau à forte résistance, tel qu'un fil métallique ou un alliage. La résistance génère de la chaleur, qui est utilisée pour chauffer le matériau. Le chauffage par résistance peut être utilisé pour des températures allant jusqu'à 1200°C.
2. Chauffage par induction: Cette technologie de chauffage consiste à utiliser l'induction électromagnétique pour chauffer un matériau. Un champ magnétique alternatif est généré autour du matériau, ce qui induit un courant électrique dans le matériau et produit de la chaleur. Le chauffage par induction peut être utilisé pour des températures allant jusqu'à 2500°C.
3. Le chauffage parinfrarouge: Le chauffage par infrarouge utilise le rayonnement infrarouge pour chauffer un matériau. Le rayonnement infrarouge est absorbé par le matériau, qui s'échauffe. Le chauffage infrarouge peut être utilisé pour des températures allant jusqu'à 1000°C.
4. Chauffage par micro-ondes: Le rayonnement micro-ondes est utilisé pour chauffer un matériau. Les micro-ondes pénètrent dans le matériau et excitent les molécules, produisant ainsi de la chaleur. Le chauffage par micro-ondes peut être utilisé pour des températures allant jusqu'à 3 000 °C.
5. Chauffage au graphène: Il s'agit d'une technologie de chauffage relativement nouvelle qui consiste à utiliser le graphène pour générer de la chaleur. Lorsqu'un courant électrique traverse le graphène, la résistance du matériau génère de la chaleur. Le chauffage au graphène peut être utilisé pour des températures allant jusqu'à 2 000 °C.
6. Chauffage par nanotubes de carbone: Il s'agit d'une autre nouvelle technologie de chauffage qui consiste à utiliser des nanotubes de carbone pour générer de la chaleur. Lorsqu'un courant électrique passe à travers les nanotubes de carbone, ceux-ci s'échauffent et produisent de la chaleur. Le chauffage par nanotubes de carbone peut être utilisé pour des températures allant jusqu'à 3000°C.

Attention

Si vous êtes un expert en matière de chauffage par nanotubes de carbone, n'hésitez pas à me contacter via juergen.ritzek(at)ee-ip.org.

Nous travaillons au sein d'un consortium qui développe des solutions pour le craquage du méthane sans CO2 produisant des nanotubes de carbone en tant que sous-produit, principalement en vue d'une utilisation dans des applications de batteries. Peut-être y a-t-il une possibilité d'étendre l'application ?

Pour plus d'informations sur ce projet, consultez le site https://storming-project.eu/.

Utilisation industrielle ces d' utilisation industrielle pour les technologies avancées de chauffage électrique

Il existe déjà des cas d'utilisation industrielle qui permettent d'améliorer l'efficacité des processus et la qualité des produits grâce à des avantages tels qu'un contrôle précis de la température, un chauffage uniforme ou des taux de chauffage rapides. Comme nous l'avons dit plus haut, les besoins en chaleur de l'industrie sont incroyablement diversifiés, de sorte que vous pouvez probablement trouver des possibilités d'application significatives dans de nombreux secteurs, voire dans tous. Il n'est donc pas étonnant que la recherche de certaines d'entre elles aboutisse à une liste de suspects habituels. En voici trois :

Industrie chimique

L'industrie chimique a de nombreux processus qui nécessitent un chauffage à haute température, tels que la polymérisation, la distillation et les processus de réaction. Les technologies avancées de chauffage électrique peuvent offrir un contrôle précis de la température et des vitesses de chauffage rapides.

Industrie du verre

La production de verre nécessite une chaleur à haute température pour la fusion, le formage et le recuit. Le chauffage infrarouge et le chauffage au graphène permettent un chauffage uniforme et un contrôle précis de la température.

Industrie alimentaire

L'industrie alimentaire nécessite des processus à haute température pour la transformation des aliments, tels que la cuisson, la cuisine et la stérilisation. Les technologies avancées de chauffage électrique peuvent offrir un contrôle précis de la température et des vitesses de chauffage rapides.

L'économie - l'éléphant dans la pièce

L'un de mes collègues, Rod Janssen, président de l'EEIP, adore cette expression et l'a déjà utilisée à plusieurs reprises lorsqu'il parlait de l'efficacité énergétique dans l'industrie ou les bâtiments. En fait, l'ensemble du Groupe des institutions financières pour l'efficacité énergétique (EEFIG), une initiative mise en place par la Commission européenne (DG Énergie) et l'UNEP FI en 2013, est centré sur cette question.

Lorsqu'il s'agit de l'aspect économique des technologies avancées de chauffage électrique pour les systèmes à haute température, les décideurs de l'industrie les comparent à l'état de l'art des systèmes de chauffage à base de combustibles fossiles. Cette comparaison est loin d'être simple, car de nombreuses dimensions influent sur les aspects économiques et l'évaluation est également influencée par des facteurs tels que le risque ou les indicateurs de performance financière utilisés dans une entreprise donnée.

Si l'on approfondit un peu les aspects économiques, il faut faire la distinction entre le coût réel de l'électricité et le coût des combustibles fossiles, les prévisions concernant l'évolution future des prix, les réglementations et la perception des clients. Une autre façon de comparer les deux consiste à mettre en correspondance les coûts d'investissement (CAPEX) et les coûts d'exploitation (OPEX).

En général, les technologies avancées de chauffage électrique ont tendance à avoir des coûts d'investissement plus élevés que les systèmes de chauffage à base de combustibles fossiles. En revanche, leurs coûts d'exploitation sont moins élevés en raison de leur efficacité supérieure et de leurs besoins d'entretien moindres. En outre, les technologies avancées de chauffage électrique n'émettent pas de gaz à effet de serre, ce qui leur permet d'éviter les coûts liés à la tarification du carbone ou aux réglementations sur les émissions.

De toute évidence, le coût de l'électricité est un facteur essentiel de la viabilité économique des technologies avancées de chauffage électrique. Si l'électricité est chère ou produite principalement à partir de combustibles fossiles, les coûts d'exploitation des technologies avancées de chauffage électrique seront plus élevés que ceux des systèmes de chauffage à base de combustibles fossiles. En revanche, si l'électricité est bon marché ou produite à partir de sources d'énergie renouvelables, les technologies avancées de chauffage électrique peuvent être plus rentables.

D'autres facteurs sont l'impact des économies d'échelle lorsque ces nouvelles technologies seront largement adoptées ou les compétences requises pour faire fonctionner ces systèmes dans les ateliers, mais aussi au niveau de la numérisation et du contrôle des processus.

Stockage de chaleur à haute température et intégration au réseau

Les nouvelles solutions de stockage de la chaleur à haute température et l'intégration au réseau énergétique peuvent également jouer un rôle dans la réduction des risques liés aux systèmes avancés de chauffage à haute température, ainsi que dans l'amélioration du modèle commercial sous-jacent, par exemple en participant aux marchés de flexibilité du réseau.

Pour plus d'informations sur les marchés de flexibilité du réseau, veuillez consulter le projet OneNet. L'EEIP participe à ce projet principalement dans le domaine de l'engagement des clients de l'industrie.

Sans entrer dans les détails, voici un bref aperçu de ce à quoi je fais référence en ce qui concerne l'intégration du réseau :

1. Gestion de la demande: Les systèmes de chauffage peuvent être programmés pour fonctionner pendant les heures creuses, lorsque la demande d'électricité est plus faible, ou ils peuvent être éteints pendant les périodes de forte demande d'électricité.
2. Stockage de l'énergie: Les systèmes de stockage de l'énergie peuvent être utilisés pour stocker l'électricité excédentaire produite à partir de sources d'énergie renouvelables, telles que l'énergie éolienne ou solaire, afin d'alimenter les systèmes de chauffage à haute température en cas de besoin.
3. Stockage à l'échelle du réseau: Les systèmes de stockage à l'échelle du réseau, tels que le stockage hydroélectrique par pompage ou le stockage d'énergie par air comprimé, peuvent également être utilisés pour stocker l'électricité excédentaire produite à partir de sources d'énergie renouvelables.

Voici quelques exemples de solutions de stockage de chaleur à haute température existant aujourd'hui ou susceptibles de voir le jour prochainement :

1. Lestockage par sels fondus: Le stockage par sels fondus est actuellement l'une des solutions de stockage de chaleur à haute température les plus courantes. Le système stocke l'énergie thermique sous forme de sel fondu, qui peut être chauffé à des températures élevées et utilisé pour générer de la vapeur afin d'alimenter des turbines pour la production d'électricité. Les systèmes de stockage à sel fondu sont utilisés dans les grandes centrales solaires à concentration (CSP) et font également l'objet d'études pour des applications industrielles.
2. Stockage de l'énergie thermique à l'aide de matériaux à changement de phase (MCP) : Le stockage de l'énergie thermique à l'aide de matériaux à changement de phase (MCP) est une autre solution de stockage de la chaleur à haute température qui gagne en popularité. Les MCP peuvent absorber et libérer de l'énergie thermique pendant les transitions de phase, telles que la fusion ou la solidification. Cette technologie est actuellement étudiée en vue d'une utilisation dans les bâtiments et les applications industrielles.
3. Stockage de l'énergie thermique à l'aide de matériaux céramiques: Les matériaux céramiques peuvent également être utilisés pour le stockage de la chaleur à haute température. Les matériaux céramiques peuvent stocker l'énergie thermique en absorbant et en libérant de la chaleur lors des changements de phase. Des systèmes de stockage d'énergie thermique en céramique sont en cours de développement pour les centrales solaires à concentration et les applications industrielles.
4. Stockage d'énergie par volant d'inertie : Des systèmes de stockage d'énergie par volant d'inertie sont en cours de développement pour le stockage de la chaleur à haute température. Le système stocke l'énergie cinétique sous la forme d'un volant d'inertie en rotation. Le système peut restituer l'énergie stockée sous forme d'électricité ou d'énergie thermique. Les systèmes de stockage d'énergie par volant d'inertie sont en cours de développement pour les centrales solaires à concentration et d'autres applications industrielles.
5. Stockage d'énergie par métal liquide : Les systèmes de stockage d'énergie par métal liquide sont une technologie relativement nouvelle qui est développée pour le stockage de chaleur à haute température. Le système stocke l'énergie thermique sous forme de métal liquide, qui peut être chauffé à haute température et utilisé pour produire de la vapeur afin d'alimenter des turbines pour la production d'électricité. Des systèmes de stockage d'énergie sous forme de métal liquide sont en cours de développement pour être utilisés dans les centrales solaires à concentration et dans d'autres applications industrielles.
6. Niveau de recherche : Supraconducteurs à haute température pour le stockage de l'énergie
7. Niveau de recherche : Nanomatériaux pour le stockage de l'énergie thermique

La décarbonisation de la chaleur à haute température étant un sujet aussi important (et difficile), nous serions très heureux de recevoir vos commentaires et vos suggestions.

Si vous connaissez d'autres solutions ou cas d'utilisation, n'hésitez pas à me contacter à l'adresse juergen.ritzek(at)ee-ip.org.

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