Batterie de Carnot : stocker de l’électricité sous forme de chaleur

Comment stocker l’électricité produite par les éoliennes et les panneaux photovoltaïques lorsque la demande est faible, pour la restituer quand les besoins augmentent?

Les batteries de Carnot offrent une piste : convertir cette électricité en chaleur, la conserver dans un réservoir de stockage thermique, puis la reconvertir en électricité au moment voulu. À l’ÉTS, les travaux du Laboratoire énergie et efficacité énergétique (L3e) visent à définir des méthodes de conception, à réduire leurs coûts et à évaluer la faisabilité de ces systèmes. 

La production d’électricité renouvelable et la demande ne suivent pas toujours le même rythme. Par exemple, les panneaux photovoltaïques peuvent produire beaucoup d’électricité au milieu de la journée, alors que les besoins sont relativement faibles. À l’inverse, en début de soirée, l’utilisation simultanée du chauffage, des appareils de cuisson et d’autres équipements peut provoquer un pic de demande, au moment où la production solaire diminue. La production éolienne varie, quant à elle, avec le vent, indépendamment des besoins des consommateurs. Lorsque la production dépasse la demande, un surplus apparaît; lorsqu’elle devient insuffisante, d’autres moyens doivent fournir l’électricité manquante.

Le stockage permet de relier ces deux situations : conserver une partie des surplus, puis restituer l’énergie lors des périodes de forte demande ou de faible production. Il aide ainsi à maintenir l’équilibre entre production et consommation.

Les batteries de Carnot comme solution de stockage

Les batteries de Carnot permettent de stocker les surplus d’électricité sous forme de chaleur. Leur fonctionnement repose sur trois étapes (voir l’image d’en-tête) : l’électricité alimente d’abord un chauffage électrique ou une pompe à chaleur; la chaleur produite est ensuite transférée, grâce à un fluide caloporteur (un fluide qui transporte la chaleur) vers un réservoir contenant des matériaux de stockage, comme des roches; enfin, lorsque de l’électricité est nécessaire, la chaleur stockée est récupérée et utilisée dans un bloc de puissance pour entraîner une turbine couplée à un alternateur et produire à nouveau de l’électricité. Selon la configuration, une partie de la chaleur peut aussi alimenter directement un besoin de chauffage ou un procédé industriel.

Contrairement aux batteries électrochimiques, cette technologie peut utiliser des matériaux de stockage abondants et peu coûteux. Elle présente aussi moins de contraintes géographiques que le stockage hydraulique par pompage, qui nécessite des réservoirs à différentes altitudes.  Son intérêt réside notamment dans la possibilité de stocker de grandes quantités d’énergie. En contrepartie, les conversions successives entraînent des pertes : la part d’électricité récupérée est généralement plus faible que pour une batterie électrochimique. Le choix dépend donc de la durée de stockage souhaitée, des coûts et des besoins en électricité et en chaleur.

Concevoir une batterie de Carnot adaptée aux besoins

Une batterie de Carnot destinée à une usine ne sera pas conçue comme celle d’un site isolé. Quelle quantité d’énergie faut-il stocker et à quelle température ? À quelle vitesse faut-il charger et décharger le réservoir ? Les réponses dépendent de la production et de la demande.

Ces choix influencent aussi les équipements internes. Modifier une température ou la puissance souhaitée peut nécessiter de revoir plusieurs composants. Une problématique émerge alors : comparer un grand nombre de solutions nécessite des calculs si importants que l’examen de toutes les solutions possibles pourrait prendre une centaine d’années.

Des travaux doctoraux menés au L3e s’intéressent à cette difficulté. L’objectif est de déterminer si une représentation simplifiée du système peut aider à sélectionner les configurations prometteuses avant d’en réaliser la conception détaillée. L’idée ressemble à celle d’une première esquisse en architecture : elle permet de comparer plusieurs possibilités avant de préciser chaque élément du bâtiment. Ici, l’esquisse décrit les échanges de chaleur et les puissances du système, sans déterminer immédiatement tous les détails de son fonctionnement interne.

Réduire les coûts des batteries de Carnot

Dans la configuration classique du réservoir (image gauche ci-dessous), le matériau de stockage, comme les roches, est immergé dans un fluide caloporteur. Remplir les espaces entre les roches exige une grande quantité de fluide, ce qui peut accroître le coût et l’impact environnemental du système.

Au L3e, une autre approche est étudiée : pulvériser le fluide au-dessus des roches (image droite ci-dessous). Celui-ci ruisselle à leur surface pour leur transmettre de la chaleur ou en récupérer, puis est recueilli au fond du réservoir et remis en circulation. L’objectif est de réduire la quantité de fluide nécessaire tout en préservant l’efficacité des échanges thermiques.

Le principe rappelle la différence entre un bain et une douche : une douche rapide consomme moins d’eau que le remplissage d’une baignoire. De la même manière, la pulvérisation assure le contact entre le fluide et les roches sans nécessiter leur immersion complète.

Des pistes pour améliorer le stockage thermique

Le développement des batteries de Carnot repose sur un équilibre entre capacité de stockage, efficacité énergétique et coûts. En explorant des méthodes de conception simplifiées et de nouvelles configurations de réservoirs thermiques, les travaux du L3e visent à mieux cerner les conditions dans lesquelles cette technologie pourrait devenir avantageuse. À terme, ces systèmes pourraient contribuer à valoriser les surplus d’électricité renouvelable et à répondre aux besoins énergétiques lorsque la production est insuffisante.

Informations supplémentaires

Pour plus d’informations sur cette recherche, consultez l’article suivant : Sullivan Durand, Pierre Neveu, Daniel R. Rousse, Didier Haillot, Finite dimension thermodynamics-based preliminary design of multi-energy pumped thermal energy storage systems, Applied Thermal Engineering, Volume 289, Part 1, 2026, 129727, ISSN 1359-4311.