Le stockage thermique : comment la chaleur devient une ressource énergétique stratégique ?
Dans les systèmes énergétiques, l’enjeu n’est pas seulement de produire de l’énergie, mais aussi de la rendre disponible au bon moment. Cette réalité devient particulièrement importante avec l’intégration croissante des énergies renouvelables, dont la production varie selon les conditions météorologiques, les saisons et les périodes de la journée.
Le stockage thermique, aussi désigné par l’acronyme TES, de l’anglais Thermal Energy Storage, répond à ce besoin en permettant de conserver de l’énergie sous forme de chaleur ou de froid, puis de la restituer lorsque la demande le justifie. Selon la technologie utilisée, cette restitution peut avoir lieu quelques heures plus tard, ou s’étendre sur plusieurs jours, voire plusieurs semaines [1].
L’intérêt pour ces solutions est en forte progression. Selon l’Agence internationale des énergies renouvelables, le marché mondial du stockage thermique pourrait plus que tripler d’ici 2030 [3]. Cette croissance reflète le rôle de plus en plus reconnu du stockage thermique dans la gestion des réseaux, des bâtiments, des procédés industriels et, dans certains cas, des formations géologiques souterraines.
Qu'est-ce que le stockage thermique ?
Dans son acception la plus large, le TES désigne tout système capable de stocker de l'énergie thermique excédentaire sur des durées allant de quelques heures à plusieurs mois, et ce à des échelles très variées — d'un bâtiment individuel à une région entière [1]. Les applications sont nombreuses : équilibrer la demande entre le jour et la nuit, conserver la chaleur produite en été pour l'utiliser en hiver, ou encore stocker le froid hivernal pour alimenter la climatisation estivale [1].
Ce dernier exemple illustre ce que l'on appelle le stockage saisonnier : un cycle de charge et de décharge qui s'étend sur plusieurs mois, à l'opposé du stockage journalier plus courant. Cette capacité à opérer à des échelles temporelles aussi longues distingue le TES de la majorité des autres technologies de stockage d'énergie.
Les trois grandes familles de technologies TES
Le TES ne désigne pas une technologie unique, mais trois catégories principales, distinguées par la manière dont l'énergie est physiquement conservée [2] :
Le stockage par chaleur sensible repose sur le chauffage ou le refroidissement d'un milieu — de l'eau, de la roche ou du sol, par exemple — sans qu'il change d'état. C’est l’une des formes les plus répandues et les plus matures de stockage thermique, notamment à travers les réservoirs d’eau chaude et les systèmes à sels fondus [2], [3].
Le stockage par chaleur latente exploite les changements de phase d'un matériau, comme la fusion ou la solidification. Les matériaux à changement de phase (PCM) entrent dans cette catégorie, et leur développement industriel est en cours [2].
Le stockage thermochimique utilise des réactions chimiques réversibles pour absorber et libérer de l'énergie. C'est la voie la plus prometteuse en termes de densité énergétique, mais aussi la moins avancée technologiquement — elle est encore principalement en phase de recherche et d'essais [2].
Les milieux de stockage peuvent prendre des formes très diverses : réservoirs d'eau chaude ou de glace, masses de sol ou de roche-mère reliées à des échangeurs en forage, aquifères profonds, fosses remplies de gravier, sels fondus, matériaux à changement de phase ou encore matériaux thermochimiques [1]. Cette variété explique en partie pourquoi le TES est présent dans des secteurs aussi différents que le bâtiment, l'industrie et la géothermie.
Tableau 1 : Récapitulatif des trois familles TES
| Type de stockage | Objectif | Exemples d'applications | Niveau de maturité |
|---|---|---|---|
| Chaleur sensible | Stocker de grandes quantités de chaleur ou de froid dans un milieu simple, comme l'eau, le sol ou la roche | Réservoirs d'eau chaude, stockage souterrain, réseaux de chaleur, bâtiments | Le plus répandu et le plus mature |
| Chaleur latente | Stocker davantage d'énergie dans un volume plus compact grâce au changement de phase d'un matériau | Stockage par glace, matériaux à changement de phase dans les bâtiments, certaines applications industrielles | En développement et en déploiement |
| Thermochimique | Stocker l'énergie sous forme de réaction chimique réversible, avec un potentiel de densité énergétique plus élevé | Stockage longue durée, applications industrielles spécialisées, systèmes encore expérimentaux | Principalement en recherche et en essais |
Le stockage thermique au service de la transition énergétique
Le stockage thermique ne se limite pas aux besoins de chauffage ou de climatisation des bâtiments. Il joue aussi un rôle dans la flexibilité des systèmes énergétiques, en facilitant l’intégration de parts plus importantes d’énergies renouvelables. Cette contribution est particulièrement pertinente face à l’intermittence, c’est-à-dire au décalage entre les moments de production et les moments de consommation.
Un outil pour intégrer les renouvelables
L'IRENA établit que les technologies TES peuvent contribuer à intégrer des proportions élevées d'énergies renouvelables dans la production d'électricité, l'industrie et les bâtiments, en cohérence avec les objectifs climatiques de l'Accord de Paris [3]. En pratique, le TES est compatible avec la plupart des filières renouvelables — éolien, photovoltaïque et solaire thermique à concentration — et peut fonctionner selon quatre modes distincts : chaleur vers chaleur, chaleur vers électricité, électricité vers chaleur, et électricité vers électricité [4].
Cette flexibilité est précisément ce qui rend le TES précieux : en découplant la demande en chauffage et climatisation de la disponibilité immédiate de la production électrique, il accroît la souplesse du système énergétique et réduit sa dépendance aux sources variables [3]. Concrètement, cela se traduit par une réduction du besoin de renforcement coûteux des réseaux, un meilleur équilibrage de la demande saisonnière et une accélération possible de la transition vers un système majoritairement renouvelable [3].
Les avantages comparatifs du TES comme stockage longue durée
En plus de son rôle d'intégration des renouvelables, le TES se distingue des autres technologies de stockage longue durée (LDES, pour Long-Duration Energy Storage) par plusieurs atouts spécifiques. Le U.S. Department of Energy en dresse la liste suivante [4] :
Des coûts comparativement faibles par rapport à d'autres solutions de stockage à longue durée.
Une longue durée de vie opérationnelle, ce qui favorise sa rentabilité sur le long terme.
Une haute densité énergétique, permettant de stocker des quantités importantes d'énergie dans des volumes maîtrisés.
Une capacité de stabilisation naturelle du réseau électrique, grâce à l'inertie propre aux systèmes thermiques.
La possibilité de produire simultanément de la chaleur et de l'électricité, ce qui le distingue des solutions de stockage purement électriques.
Selon l’IEA ES TCP, le stockage thermique, qu’il soit utilisé à court ou à long terme, constitue une option économique pour équilibrer une production électrique renouvelable variable. Il peut aussi faciliter le rapprochement entre les secteurs de l’électricité et du chauffage [1]. Le comité exécutif du même programme souligne toutefois que le potentiel du TES demeure encore insuffisamment reconnu dans plusieurs analyses de politique énergétique, y compris dans certains rapports de l’AIE, notamment en ce qui concerne les synergies intersectorielles [9]. Ce constat ne remet pas en question la technologie elle-même, mais pointe plutôt un manque de reconnaissance institutionnelle dont le rattrapage est en cours.
Pour aller plus loin : "Quelles sont les sources d'énergies renouvelables et pourquoi sont-elles essentielles ?"
Applications concrètes : bâtiments, réseaux de chaleur et industrie
Les bâtiments et les réseaux de chaleur urbains
Dans les bâtiments résidentiels et commerciaux, le TES est déjà utilisé pour le chauffage, la climatisation et la production d’eau chaude sanitaire [2]. À l'échelle urbaine, il peut aussi être intégré dans ce qu'on appelle les réseaux de chaleur (district heating en anglais), qui permettent de distribuer de la chaleur produite de façon centralisée à un ensemble de bâtiments. Dans ce contexte, le TES joue un rôle de tampon entre l'offre et la demande.
Deux grandes familles de stockage coexistent dans ces réseaux [3] :
Le TTES (Tank Thermal Energy Storage) désigne le stockage en réservoirs — généralement des cuves d'eau chaude — déjà très répandus à l'échelle mondiale.
Le UTES (Underground Thermal Energy Storage), ou stockage thermique souterrain, tire parti du sol comme milieu de stockage. Cette approche est particulièrement adaptée au stockage saisonnier.
Des technologies de stockage par glace et par batteries thermiques à l'état solide sont également en cours de développement pour cette application, bien qu'elles en soient encore à un stade précoce de déploiement [3].
Stockage thermique et géothermie : une complémentarité souterraine
L'une des formes les moins connues du stockage thermique est celle qui se déroule directement dans le sous-sol. C'est précisément là que le TES rejoint la géothermie : plutôt que d'extraire la chaleur de la Terre, il s'agit ici d'utiliser les formations géologiques comme milieu de stockage. Cette approche ouvre des perspectives particulièrement intéressantes pour le stockage saisonnier à grande échelle.
Le stockage thermique en sous-sol : UTES, BTES et RTES
Le terme UTES (Underground Thermal Energy Storage) regroupe plusieurs technologies de stockage souterrain, dont les principales sont [1] :
Le BTES (Borehole Thermal Energy Storage), qui consiste à utiliser un grand volume de sol naturel traversé par des forages pour stocker de l'énergie thermique. Cette technique a été déployée avec succès dans plusieurs grands systèmes solaires saisonniers.
Le ATES (Aquifer Thermal Energy Storage), qui exploite les nappes phréatiques souterraines comme milieu de transfert et de stockage thermique.
Le RTES (Reservoir Thermal Energy Storage), une approche qui consiste à stocker de l'énergie excédentaire — d'origine nucléaire, renouvelable ou conventionnelle — sous forme de saumure géothermale chauffée dans des formations géologiques profondes [5].
Ce dernier type mérite une attention particulière. Selon les modélisations réalisées par l'Idaho National Laboratory sur le bassin de Portland, le RTES pourrait atteindre des rendements aller-retour allant jusqu'à 93 % [5]. Il est aussi considéré comme susceptible d’offrir parmi les plus grandes capacités de stockage et les durées de conservation les plus longues des technologies TES, avec un potentiel comparable seulement à certaines formes de stockage par hydrogène, mais avec une efficacité attendue supérieure [5].
Sourtenir l'énergie de demain
Le stockage thermique s’impose comme une technologie importante pour accompagner la transition énergétique. En permettant de conserver la chaleur ou le froid pour une utilisation différée, il contribue à mieux gérer les écarts entre production et consommation, notamment dans les systèmes intégrant davantage d’énergies renouvelables.
Face aux défis énergétiques actuels, le stockage thermique devrait continuer à gagner en importance au cours des prochaines années. Sa maturité varie selon les technologies, mais son potentiel global est encore largement à explorer, notamment dans les applications souterraines longue durée.
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Références
[1] International Energy Agency Energy Storage Technology Collaboration Programme. "Thermal Energy Storage." IEA ES TCP, n.d. IEA, https://iea-es.org/thermal-energy-storage/.
[2] National Energy Technology Laboratory. "THERMAL Energy Storage." NETL Factsheet, U.S. Department of Energy, 2021. NETL, https://netl.doe.gov/sites/default/files/2021-02/Thermal_Energy_Storage_1Pager.pdf.
[3] International Renewable Energy Agency. Innovation Outlook: Thermal Energy Storage. IRENA, 2020. IRENA, https://quantumgraphite.com/wp-content/uploads/2021/11/IRENA_Innovation_Outlook_TES_2020.pdf.
[4] Balliet, W. Hill, et al. Technology Strategy Assessment: Thermal Energy Storage. U.S. Department of Energy, Office of Electricity, July 2023. DOE, https://www.energy.gov/sites/default/files/2023-07/Technology%20Strategy%20Assessment%20-%20Thermal%20Energy%20Storage.pdf.
[5] Atkinson, Trevor, et al. Reservoir Thermal Energy Storage Benchmarking. Idaho National Laboratory, August 2023. INL, https://inldigitallibrary.inl.gov/sites/sti/sti/Sort_67342.pdf.
[9] International Energy Agency Energy Storage Technology Collaboration Programme. ES TCP Annual Report 2022. IEA, 2023. IEA, https://iea-es.org/wp-content/uploads/public/ES_TCP_Annual_Report_2022.pdf.
