Le cycle de transformation de la rouille en fer pourrait permettre un stockage à long terme des énergies renouvelables.
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À l'avenir, le fer pourrait servir de matériau de stockage d'énergie chimique, permettant ainsi de produire d'importantes quantités d'énergie renouvelable sur le long terme. La poudre de fer est brûlée selon un processus cyclique neutre en carbone, puis reconvertie à son état initial grâce à un apport d'énergie. Des scientifiques de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont été les premiers à mener une étude approfondie afin d'évaluer le potentiel de cette technologie pour la production d'électricité. Leurs résultats montrent que le fer, sans pour autant remplacer l'hydrogène, pourrait utilement le compléter dans un système énergétique neutre en carbone. Ces résultats ont été publiés dans la revue Chem Circularity .
Que ce soit pour l'énergie éolienne des régions côtières ou l'énergie solaire des zones désertiques, le fer pourrait servir de vecteur énergétique transportable à l'avenir, rendant ainsi ces sources d'énergie renouvelables accessibles à tous. « Ce procédé fonctionne selon un cycle qui n'émet ni dioxyde de carbone ni substances nocives pour l'environnement », explique Julia Schuler, de l'Institut de production industrielle (IIP) du KIT.
Pour produire de l'électricité, la poudre de fer est brûlée, ce qui produit de l'oxyde de fer, autrement dit de la rouille. Grâce à l'hydrogène issu de sources renouvelables, l'oxyde est réduit en fer par un processus qui élimine l'oxygène qu'il contient. La poudre de fer ainsi obtenue peut être réutilisée.
« Lorsqu'elle brûle, la poudre de fer se comporte de façon très similaire au charbon. Nous souhaitions déterminer s'il était possible de convertir les centrales à charbon existantes au fonctionnement au fer », explique Schuler. Elle estime que les modifications nécessaires concernent principalement le générateur de chaleur ; les autres composants, tels que le cycle de vapeur, les turbines, le générateur et le raccordement au réseau électrique, pourraient être conservés.
Le cycle du fer complète l'économie de l'hydrogène
S’appuyant sur les résultats du projet de recherche Clean Circles, des scientifiques du KIT ont mené une étude afin d’examiner comment le cycle du fer pourrait être utilisé pour la production d’électricité dans un système énergétique européen neutre en carbone. Pour cette étude, les chercheurs ont étendu PERSEUS, un modèle de système énergétique existant, en y intégrant des options de modernisation des centrales au charbon, des installations de réduction, ainsi que des solutions de stockage et de transport.
À l'aide de ce modèle étendu, ils ont ensuite projeté un développement optimal du système énergétique européen jusqu'en 2050. Dans ce contexte, le cycle du fer était en concurrence avec d'autres technologies telles que les batteries, les systèmes de stockage d'hydrogène et les centrales électriques à hydrogène.
Les résultats montrent que le fer ne remplacera pas la production d'électricité à partir d'hydrogène, mais pourrait la compléter utilement dans un système énergétique neutre en carbone. Le fer est particulièrement adapté au stockage d'énergie à long terme. Sous forme de poudre, il est relativement facile à stocker et à transporter, contrairement à l'hydrogène qui nécessite un réseau coûteux de pipelines, de terminaux d'importation et d'installations de stockage souterraines.
L'utilisation de poudre de fer permettrait de transporter l'énergie renouvelable à l'échelle mondiale avec des investissements moindres en infrastructures. Parallèlement, l'électricité excédentaire en Europe pourrait être utilisée pour la conversion de cette poudre de fer dans des installations de réduction locales, produisant ainsi une source d'énergie stockable grâce à une étape intermédiaire de production d'hydrogène.
Dans les simulations, les centrales électriques alimentées à la poudre de fer se sont révélées particulièrement prometteuses dans les pays où les possibilités de production hydroélectrique ou de stockage souterrain d'hydrogène sont limitées. Dans ces régions, le fer peut contribuer à pallier les déficits d'approvisionnement lors de périodes prolongées de production énergétique insuffisante d'origine éolienne ou solaire. Parallèlement, il permet de soulager l'infrastructure hydrogène, notamment lorsque les capacités d'importation ou de transport atteignent leurs limites.
Le potentiel est particulièrement important en Allemagne, compte tenu du grand nombre de centrales à charbon qu'elle compte. Les turbines, les raccordements au réseau, les réseaux de chaleur et d'autres éléments de leur infrastructure pourraient être conservés.
Réduire les coûts grâce au cycle du fer
Concernant l'avenir de cette technologie, le fait que les centrales électriques alimentées par de la poudre de fer fassent partie intégrante d'un système énergétique à coûts minimaux dans tous les scénarios envisagés est un signal encourageant pour les chercheurs. « Le fer pourrait jouer un rôle très particulier, mais économiquement significatif, pour atteindre la neutralité climatique et garantir un accès fiable aux énergies renouvelables », a déclaré Schuler. L'émergence d'une nouvelle « ère du fer » dépendra en grande partie de la complexité de la modernisation des centrales existantes et de l'efficacité avec laquelle l'oxyde de fer pourra être réduit en fer à l'avenir.
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S3051294826000435