Les déchets de la sidérurgie pourraient stocker l’énergie solaire, les scories des fours à arc électrique faisant l’objet des premiers essais.
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Le stockage de l’énergie sous forme de chaleur est une solution éprouvée pour pallier le manque d’énergie solaire par temps sombre ou nuageux, en permettant la capture, le stockage et la restitution à la demande de l’énergie thermique. Ce procédé, appelé stockage d’énergie thermique à haute température (TES : Thermal Energy Storage), peut cependant s’avérer extrêmement coûteux.
Des chercheurs de Penn State ont découvert que les scories d’acier — un déchet rocheux, sous-produit du processus de fabrication de l’acier — pourraient constituer une solution de stockage de chaleur à faible coût pour les applications TES.
Objectifs de recherche de première étape
Ils ont publié les résultats de la première phase d’un projet en trois phases dans la revue Solar Energy .
La première phase a consisté à identifier la structure morphologique de trois types de scories afin d’évaluer leur potentiel pour le stockage d’énergie thermique. L’objectif final de cette recherche, selon l’équipe, est de réduire les déchets de scories et de produire des matériaux utilisables dans les applications de stockage d’énergie thermique.
Résumé graphique. Crédit : Solar Energy (2026). DOI : 10.1016/j.solener.2026.114865
Le besoin de stockage de chaleur solaire
« L’un des problèmes de nombreuses sources d’énergie renouvelables, comme l’énergie solaire, est leur intermittence », a déclaré Olumide Ogunmodimu, professeur adjoint d’ingénierie énergétique et minière à Penn State et co-auteur de l’article.
« L’énergie solaire est par nature intermittente et variable, car la lumière du soleil n’est pas disponible en permanence en raison du cycle jour-nuit et des conditions météorologiques changeantes. Cela signifie que nous devons trouver un moyen de stocker l’énergie captée du soleil pour une utilisation ultérieure. »
À l’instar des batteries, les systèmes de stockage d’énergie thermique (TES) peuvent emmagasiner de l’énergie thermique pendant des heures, voire des semaines, et la restituer en cas de besoin. Lors de la première phase du projet, les chercheurs ont testé les propriétés de trois scories d’acier différentes – composées d’impuretés extraites du métal lors de la fabrication de l’acier – afin d’évaluer leur potentiel en tant que matériaux candidats pour des applications TES à haute température.
Les déchets d’acier comme ressource
« Malgré des progrès évidents, de nombreux systèmes de stockage d’énergie thermique (TES) conçus par l’ingénierie sont encore confrontés à des défis liés au coût des matériaux, à la corrosion et à la dégradation à long terme sous l’effet de cycles thermiques répétés », a déclaré Michael Enemuo, étudiant diplômé en génie minier et de traitement des minéraux au sein du département d’ingénierie énergétique et minérale de la famille John et Willie Leone et auteur principal de l’article.
« Ces limitations ont suscité un intérêt croissant pour les supports de stockage de chaleur sensible à faible coût, en particulier les matériaux dérivés de sous-produits industriels. »
Enemuo a identifié les difficultés liées aux systèmes TES et les a reliées à ses connaissances sur les scories.
« Pour moi, tout a commencé avec les déchets générés par l’industrie sidérurgique », a déclaré Enemuo. « Des montagnes de scories s’accumulent près des aciéries, et ces résidus peuvent être toxiques pour l’environnement. Trouver un moyen de les réutiliser était donc une motivation importante. »
Réduire la dette carbone
L’utilisation des déchets pour le stockage de l’énergie contribue également à une économie circulaire et à une production d’énergie plus durable, selon les chercheurs.
« À l’heure actuelle, la production d’énergie renouvelable nécessite encore des combustibles fossiles et des matières premières, ce qui nous laisse avec une dette carbone. Nous devons donc examiner à la fois la technologie et sa provenance », a déclaré Ogunmodimu, qui est également professeur associé à l’Alliance pour l’éducation, les sciences, l’ingénierie et le design avec l’Afrique (AESEDA : Alliance for Education, Science, Engineering, and Design with Africa).
« Si nous transformons les déchets en matières premières, l’empreinte carbone peut diminuer considérablement, tout comme le coût de production d’énergie. Nous étudions le lien entre la matière première et son utilisation, avec pour objectif principal de l’obtenir de manière durable et à moindre coût. »
Comparaison de trois scories d’acier
Les scories sont produites par différents procédés lors de la fabrication de l’acier, ce qui conduit à des structures chimiques distinctes. Les trois scories testées par les chercheurs lors de la première phase étaient celles du four de métallurgie en poche, riche en oxydes de magnésium et en aluminates de calcium ; celles du convertisseur à oxygène, caractérisées par des teneurs élevées en oxyde de calcium et la présence de chaux libre ; et celles du four à arc électrique (FAE ou EAF en anglais, soit Electric Arc Furnace ), qui présentent généralement des fractions d’oxydes plus importantes et une structure cristalline plus stable.
Les chercheurs ont utilisé un cadre analytique multitechnique de tests sur les scories, ce qui leur a permis de dresser un tableau des propriétés des matériaux et de leur fonctionnement potentiel dans les applications de stockage d’énergie thermique. Ils ont notamment étudié la capacité de stockage thermique, la structure morphologique, l’assemblage et la dégradation des scories.
« La combinaison des différents tests nous aide à comprendre la structure du matériau, les zones d’intervention potentielles et comment classer les matériaux afin de savoir comment les traiter à l’avenir », a déclaré Ogunmodimu.
Les scories EAF dominent le classement initial
Les chercheurs ont conclu que le laitier de four à arc électrique était le candidat le plus prometteur pour une évaluation plus approfondie en raison de sa stabilité.
« L’ EAF offre la base la plus favorable parmi les matériaux testés en raison de sa faible perte de masse, de sa teneur minimale en chaux libre détectable, de sa réponse au flux de chaleur relativement stable et de son assemblage de phases favorable », a déclaré Enemuo.
L’assemblage de phases désigne la manière dont les différentes phases d’un matériau (solide, liquide ou gazeuse) coexistent pour une performance optimale. Dans ce cas précis, le laitier de four à arc électrique était suffisamment solide pour conserver une structure stable et était moins sujet à l’expansion induite par l’hydratation.
« D’après les indicateurs indirects de stabilité physico-chimique et thermique évalués dans cette étude, le classement préliminaire des matériaux les plus adaptés au stockage thermique est le suivant : scories de four à arc électrique, puis scories de four de métallurgie en poche, et enfin scories de convertisseur à oxygène », a déclaré Ogunmodimu. « Toutefois, des mesures directes de la conductivité thermique, de la capacité thermique massique, de la densité et de la stabilité cyclique à long terme sont nécessaires avant de pouvoir tirer des conclusions définitives quant aux performances pratiques du stockage thermique. »
Pour la suite, les chercheurs ont indiqué qu’ils devaient valider ces résultats et effectuer des simulations sur d’autres propriétés difficiles à analyser expérimentalement avant de pouvoir commencer à modifier les matériaux en vue de la production.