Stocker l’énergie électrique dans de la glace

Stocker de la glace à partir d’énergie électrique au moment où elle est la moins chère, c’est-à-dire en heures creuses ou lors de la production de panneaux photovoltaïques, pour une production de froid différée. C’est l’idée développée par Patrick Ouvry, le fondateur de la start-up calvadosienne Boréales Energy. « Confronté à l’intermittence des énergies renouvelables, Patrick Ouvry s’est demandé comment les synchroniser avec une chaîne de froid », expose Sébastien Descamps, le directeur commercial. Selon lui, plus de 17 % de la consommation électrique mondiale est utilisée pour répondre aux besoins de refroidissement (bâtiment, industrie, santé etc.). Patrick Ouvry s’est alors inspiré d’un moyen de stockage d’énergie ancien : la glace.

À l’échelle planétaire, les pôles, chaque année, se régénèrent en banquise en hiver. En été, ils fondent et relâchent leur énergie thermique. « De la même manière, depuis les années 70, des piscines de glace servent de stockage. À La Défense par exemple, en Île-de- France, des bassins de 1 000 à 1 500 m 3 assurent le traitement d’air d’une partie du quartier d’affaires. La nuit, de l’électricité fabrique la glace. Le jour, du froid en est extrait », contextualise le directeur commercial. L’idée de Patrick Ouvry a été de « s’inspirer de ces systèmes et de les améliorer ». Entre 2015 et 2019, il a donc travaillé à la recherche de solutions technologiques permettant de stocker l’énergie dans de la glace au moyen d’un accumulateur. L’objectif ? Qu’il soit peu encombrant et doté d’une performance énergétique optimale.

15 % d’efficacité

De ce travail, naît l’accumulateur thermique statique (ATS), un parallé- lépipède de 1,20 mètre de hauteur et de 0,5 m de largeur et de profondeur. Celui-ci est constitué d’une surface d’échange de 12 m² immergée dans de l’eau au sein de laquelle circule un fluide frigorigène. Dans la boucle frigorifique, l’ATS joue la fonction d’évaporateur. « Pour compléter cet équipement, nous avons développé une boucle frigorifique, le Boréales ice bank (BIB). Elle intègre plusieurs ATS et des fonctions de pilotage », raconte Sébastien Descamps. L’ATS se combine ainsi avec le condenseur, le compresseur et le détendeur. 

Concrètement, pour charger l’ATS en glace, le fluide frigorigène évapore à -2 °C. Ce faisant, l’eau constituant l’environnement de l’échangeur descend graduellement en température jusqu’à prise en glace. Un ATS peut produire jusqu’à 140 kilogrammes de froid. L’énergie est ensuite libérée par fonte de la glace. Sur sa technologie, Boréales Energy revendique 15 % à 30 % d’efficacité énergétique par rapport aux autres systèmes frigoriques. « Les dispositifs existants évaporent entre -7 °C et -15 °C. Nous, à -2 °C. Le compresseur doit donc apporter beaucoup plus d’énergie pour descendre plus bas et consomme plus. Chaque degré représente environ 2,5 % d’efficacité énergétique en notre faveur », précise Sébastien Descamps. Aussi, le circuit dans lequel passe le fluide frigorigène dispose d’une forme, d’une longueur, de matériaux et d’une densité de matériaux « optimaux pour favoriser une surface d’échange plus importante », expose le directeur commercial.

Une expérimentation agro-alimentaire

Le Groupement agricole d’exploitation en commun (Gaec) de la Varenne, une exploitation laitière de 120 vaches dans l’Orne, l’a testé durant deux mois. « Le plus énergivore dans ce type d’installation, c’est le refroidisseur de lait. Il faut baisser sa température de 37 °C à 4 °C en moins de trois heures pour respecter les normes sanitaires », avance Jacques Charriau, chargé de ventes pour ETS Charriau, un fabricant de pré-refroidisseur de lait.

Voici cinq ans, il a installé sur cette ferme un pré-refroidisseur de lait. Il consistait à récupérer via le forage de la ferme de l’eau à 12 °C pour rafraîchir le lait à 16 °C grâce à un échangeur thermique. Cette étape avant un refroidissement plus classique a déjà permis de consommer 53 % moins d’énergie. En novembre dernier, le Gaec et Jacques Charriau sont allés plus loin en expérimentant un BIB. « Même si nous sommes sur le démarrage, la ferme a enregistré une performance énergétique meilleure que son ancienne installation de froid de 10 à 15 % (pré-refroidisseur exclu). Ce chiffre peut encore augmenter puisque dans le prototype, par sécurité, le nombre d’échangeurs et de boucles d’eau a été doublé. Sans cela, je pense qu’on serait proche des 20 % d’énergie économisée pour la même production de lait » relate Jacques Charriau.

Aussi, si le BIB était branché au réseau d’électricité pour l’expérimentation, l’objectif, selon lui, serait de le coupler à des panneaux photovoltaïques pour bénéficier d’une énergie à moindre coût, récupérée lors les heures ensoleillées et stockée dans la glace. Convaincu par le potentiel de la technologie, Jacques Charriau a commandé dix produits, actuellement en pré-série, à Boréales Energy.

Un deuxième usage en développement

En plus du refroidissement direct tel qu’il est mis en place au Gaec de la Varenne, l’ATS peut servir au refroidissement indirect. « Un dispositif frigorifique va chercher du froid dans de l’air chaud, mais plus il fait chaud, moins il y a de froid disponible. Passé un point, les systèmes frigorifiques perdent en efficacité et peuvent arrêter de fonctionner… Pour pallier cela, les usagers de groupes froids appellent un frigoriste pour arroser les condenseurs et rafraîchir l’environnement du groupe froid. Mais, en situation de stress hydrique, ce n’est pas idéal. Deuxième solution : surdimensionner son système. Si l’usager a besoin de 50 kW, le frigoriste va lui proposer un groupe froid de 100 kW. Cette solution n’est pas optimale énergétiquement », déplore Sébastien Descamps.

Pour répondre à ce besoin, Boréales Energy propose d’utiliser l’ATS comme un booster en venant l’intégrer sur la boucle frigorifique principale, et ainsi stabiliser son fonctionnement en cas de forte chaleur. « Selon nos simulations, pour une typologie de chambre froide à -30 °C, nous visons un redressement de la performance de 19 % lorsqu’il fait 20 °C en extérieur et de plus de 70 % à 45 °C. Habituellement, à cette température, la majorité des groupes froids se mettent à l’arrêt », avance Sébastien Descamps. Encore en phase de test, cet usage sera validé cet été dans la brasserie industrielle de Sutter, située dans l’Eure.

En termes de coûts, le retour sur investissement est compris, selon Boréales Energy, entre cinq à sept ans. « Notre ATS est constitué essentiellement d’eau et d’aluminium, ce ne sont pas des matériaux rares et ils ne sont pas chers. Pour le BIB, qui contient des matériaux tels que du cuivre ou des cartes électroniques, nous avons fait en sorte que l’indice de réparabilité soit élevé », affirme Sébastien Descamps. L’an passé, la start-up a remporté le Grand prix du jury lors de l’EnergJ Meeting 2022. Dans le futur, Boréales Energy projette de générer de l’électricité en transformant la glace en saumure liquide grâce au système à cycle organique de Rankine (ORC). Celui-ci consiste habituellement à utiliser de la vapeur pour faire tourner une turbine.