SHIP4D : La chaleur solaire pour la décarbonation des processus industriels

Objectifs Selon l’AIE, le secteur industriel représente 20% de la consommation finale énergétique française et génère 14% des émissions de CO2. Plus de 70% de cette énergie est consommée sous forme de chaleur. 50% de cette chaleur requiert une température inférieure à 400degC. Aujourd’hui, cette énergie thermique est principalement fournie par des combustibles fossiles, notamment le gaz naturel. Plusieurs axes de décarbonation sont envisagés dans les plans de transitions sectoriels présentés par l’ADEME à l’horizon 2050 : i) la sobriété et l’efficacité énergétique, ii) l’électrification des procédés, iii) l’intégration intelligente des énergies renouvelables et du stockage d’énergie. Le projet SHIP4D, dans le cadre du PEPR SPLEEN, étudie la contribution de la chaleur solaire dans la décarbonation des processus industriels, en particulier pour la gamme de température 150-400degC. Méthodes Une architecture est définie pour le dimensionnement optimal d’un système énergétique hybride, intégrant différentes briques technologiques : i) énergie solaire (photovoltaïque (PV), solaire thermique à concentration (CST)), ii) stockage (électrique ou thermique), iii) conversion de l’électricité en chaleur (chaudière électrique, pompe à chaleur) et iv) une chaudière auxiliaire (gaz naturel, biogaz, biomasse). Le logiciel CAIRN, développé par le CEA LITEN, permet d’analyser ce système d’un point de vue techno-économique et environnemental. Le problème d’optimisation du dimensionnement du système et de sa stratégie de contrôle est résolu en appliquant la programmation linéaire mixte en nombres entiers (MILP). La fonction de coût prend en compte la valeur actuelle nette (VAN) du système et peut inclure diverses contraintes définies par l’utilisateur, telles que l’empreinte foncière ou l’empreinte carbone. L’étude de cas est réalisée pour trois localisations différentes en France, i.e. Rouen, Chambéry et Montpellier. La demande en chaleur considérée est un talon de consommation de 1 MWth, 24/7, soit 8760 MWh pour une année. On fait l’hypothèse que le procédé industriel opère de 150 à 250degC. Résultats L’étude de cas démontre que la chaleur solaire représente une option de décarbonation viable pour une température de procédé industriel jusqu’à 250degC, susceptible d’apporter des bénéfices économiques et environnementaux tangibles pour l’industrie française. En l’absence de mécanismes incitatifs, l’électrification directe reste non compétitive en raison du coût élevé de l’électricité en comparaison au gaz naturel. Améliorer l’efficacité d’une chaudière à gaz est une mesure de décarbonation rentable. Substituer le gaz naturel par le biogaz ou la biomasse est aussi une mesure de décarbonation attractive, malgré le surcoût énergétique. Une hybridation avec le solaire thermique à concentration semble plus attractive que le photovoltaïque, tandis que le stockage thermique est préféré au stockage électrique pour atteindre des économies d’énergie supérieures à 20%.

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