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Oct 27, 2023

Polar Night Energy conçoit un sable

Cet article sponsorisé vous est proposé par COMSOL. Alors que nous essayons objectivement

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Alors que nous essayons d'étudier objectivement la nature, nous nous souvenons souvent de la façon dont les forces naturelles nous affectent personnellement. Nous pouvons nous asseoir à un bureau et considérer la chaleur sous ses différentes formes, mais nous pourrions être distraits si nos orteils ont froid ! Lorsque nous augmentons le chauffage de nos maisons et de nos lieux de travail, nous devons équilibrer notre besoin personnel de chaleur avec l'impact global de la combustion de combustibles fossiles comme le pétrole, le gaz, le charbon et la biomasse. Le changement climatique anthropique confronte l'humanité à un défi : comment pouvons-nous nous réchauffer maintenant alors que nous essayons d'empêcher notre monde de surchauffer à l'avenir ?

C'est une question intimidante à laquelle une startup appelée Polar Night Energy, dans le petit pays froid de Finlande (Figure 1), tente de répondre. Dans une région connue pour ses longues et sombres nuits d'hiver, Polar Night Energy construit un système dans la ville de Tampere qui peut chauffer les bâtiments avec de l'énergie solaire stockée - toute la journée, toute la nuit et tout l'hiver. Les contradictions apparentes ne s'arrêtent pas là. À une époque de solutions de technologies propres complexes, souvent fabriquées à partir de matériaux rares et coûteux, le système de stockage et de distribution de chaleur de Polar Night Energy se compose de simples conduits, pompes, vannes et sable. Le nouveau système montre un potentiel pour s'attaquer aux problèmes mondiaux de manière patiente, réfléchie et à l'échelle humaine.

Figure 1. La nation finlandaise, dont une partie se trouve au-dessus du cercle polaire arctique. Les systèmes de stockage de chaleur de Polar Night Energy sont actuellement installés dans les villes de Tampere et Kankaanpää.

Les grands problèmes exigent de grandes solutions, et il n'y a peut-être pas de plus grand problème du XXIe siècle que le changement climatique. Pour relever ce défi, de nombreux gouvernements et organisations investissent dans de nouvelles technologies pour aider à réduire l'utilisation des combustibles fossiles. Ces initiatives se sont largement concentrées sur la production, la distribution et le stockage d'énergie électrique renouvelable.

"Lorsque vous interrogez les gens sur l'énergie plus propre, ils pensent à l'électricité", déclare Tommi Eronen, PDG de Polar Night Energy. "Mais nous devons également réduire les émissions dues au chauffage." Sur les émissions finlandaises liées à l'énergie, 82 % proviennent du chauffage des bâtiments domestiques (Réf. 1). "Nous voulons remplacer tout cela si nous voulons avoir le moindre espoir d'atteindre nos objectifs climatiques mondiaux", a déclaré Eronen.

L'esprit de "Think Globally, Act Locally", un mantra associé aux années 1960, perdure avec l'équipe d'innovateurs de Polar Night Energy. Leur voyage a commencé par une question posée par ses fondateurs, Tommi Eronen et Markku Ylönen, alors qu'ils étaient camarades de classe à l'université : "Est-il possible de construire une commune hippie autonome en énergie et rentable pour les ingénieurs utilisant uniquement l'énergie solaire ?" Après l'obtention de leur diplôme, le projet qu'ils ont baptisé "Hippie Commune" est devenu Polar Night Energy, avec Eronen comme PDG et Ylönen comme CTO.

Ce qui a commencé comme un projet étudiant léger (mais sérieux) a conduit à une centrale pilote de 3 MWh/100 kW dans la ville finlandaise de Tampere, qui a commencé à fonctionner au cours de l'hiver 2020-2021. Le système utilise l'électricité pour chauffer l'air, qui circule ensuite dans un échangeur qui chauffe l'eau et la distribue à plusieurs bâtiments du quartier Hiedanranta de la ville (Figure 2).

Figure 2. Un schéma des composants et du cycle de fonctionnement du système Polar Night Energy.

A l'intérieur du système, des éléments chauffants résistifs alimentés électriquement chauffent l'air à plus de 600°C. L'air chaud circule à travers un réseau de tuyaux à l'intérieur d'un réservoir de stockage de chaleur rempli de sable. L'air chaud retourne ensuite hors du récipient dans un échangeur de chaleur, où il chauffe l'eau qui est ensuite distribuée dans les systèmes de chauffage du bâtiment. La capacité de stockage de chaleur du sable garantit que même lorsque les éléments résistifs sont froids, l'air en circulation est encore suffisamment chaud pour garder l'eau (et les bâtiments) au chaud.

"Nous n'avons que des tuyaux, des vannes, un ventilateur et un élément chauffant électrique. Il n'y a rien de spécial ici!" dit Eronen en riant.

Le célèbre ingénieur chimiste Donald Sadoway aurait déclaré: "Si vous voulez fabriquer une batterie bon marché, vous devez la fabriquer avec de la saleté." Le système de Polar Night Energy est confronté aux mêmes défis fondamentaux que toute autre infrastructure énergétique. Il doit fournir de l'électricité aux gens quand ils en ont besoin, là où ils en ont besoin et à un prix gérable. Cela signifie que le stockage et la distribution de l'énergie sont aussi importants que sa production. L'infrastructure existante répond à ces défis de manière familière. Pour le chauffage à combustion, les combustibles comme le mazout et le gaz sont stockés et transportés là où ils peuvent être brûlés. Le réseau électrique prend également en charge la distribution efficace de l'énergie et utilise l'énergie générée par des moyens renouvelables comme l'éolien et le solaire. La nature intermittente de la lumière du jour et des vents forts est cependant un problème tenace. Le stockage d'énergie est nécessaire pour maintenir une production d'énergie stable tout au long des pics et des creux des apports renouvelables. Mais même avec les progrès récents de la technologie des batteries, le stockage de l'énergie électrique reste relativement coûteux, en particulier à l'échelle requise pour le chauffage des bâtiments. Et si, plutôt que de stocker de l'électricité, une « batterie » pouvait stocker de la chaleur ?

Figure 3. Markku Ylönen avec un échantillon représentatif du moyen de stockage de chaleur bon marché de Polar Night Energy.

De nombreux systèmes de chauffage conventionnels stockent et distribuent déjà la chaleur en retenant et en faisant circuler l'eau chaude. Eronen et Ylönen ont reconnu les avantages du stockage de chaleur à base d'eau ainsi que ses limites. "Il n'y a qu'une quantité de chaleur que vous pouvez ajouter à l'eau avant qu'elle ne devienne de la vapeur", explique Eronen. "La vapeur peut distribuer efficacement la chaleur, mais ce n'est pas vraiment rentable pour le stockage à grande échelle." Pour éviter les inconvénients du stockage de la chaleur dans l'eau, ils se sont plutôt tournés vers le sable - 42 tonnes métriques ! (Figure 3) Après le coucher du soleil, la chaleur emmagasinée dans le sable est graduellement relâchée dans le flux d'air en circulation. Cela maintient l'air suffisamment chaud pour maintenir des températures constantes dans l'eau qui traverse les radiateurs des clients. De cette façon, le sable permet à l'énergie solaire de garder les gens au chaud, même pendant les nuits finlandaises les plus sombres et les plus froides. "Le sable fournit quatre fois la capacité de stockage d'énergie de l'eau", explique Eronen. « Le sable est efficace, non toxique, portable et bon marché ! »

"Nous avons besoin d'une modélisation prédictive pour répondre à autant de questions que possible, avant de nous engager à assembler tout cet équipement - et tout ce sable !" -Tommi Eronen, PDG de Polar Night Energy

La rentabilité est le fondement de la proposition de valeur de Polar Night Energy. "Dès que nous avons décidé de poursuivre cette idée, nous avons essayé de comprendre à quoi ressemblaient les finances", explique Eronen. Dans sa quête pour faire plus avec moins, Polar Night Energy s'est longtemps appuyé sur des outils de simulation numérique. Eronen et Ylönen ont commencé à utiliser le logiciel COMSOL Multiphysics en tant qu'étudiants et cela fait partie intégrante de leur processus de conception. Par exemple, Eronen mentionne les spécifications d'un système de stockage de chaleur étendu qui desservirait plus de bâtiments à Tampere. L'équipe a calculé que fournir de la chaleur à un quartier de 35 000 personnes nécessiterait un cylindre de stockage rempli de sable de 25 mètres de haut et de 40 mètres de diamètre. Comment sont-ils arrivés à ces dimensions ? "La quantité approximative de matériau nécessaire est en fait facile à calculer, car nous savons combien de chaleur nous pouvons stocker dans un mètre cube de sable", explique Eronen. "Nous avons également dû déterminer l'espace requis pour un transfert de chaleur efficace entre le sable et notre système de circulation d'air (Figure 4). C'est beaucoup plus difficile à faire ! Nous avons utilisé COMSOL pour modéliser et évaluer différentes options de conception."

Figure 4. Tommi Eronen (au premier plan) et Ylönen inspectant les conduits d'un réservoir de stockage de chaleur Polar Night Energy.

Un logiciel de simulation multiphysique a aidé à façonner la conception de l'échangeur de chaleur de Polar Night Energy (Figures 5–6). Eronen déclare : "Nous avons construit un modèle particulier pour explorer une idée de conception : et si nous créions un noyau de sable super chaud entouré de conduits de chauffage autour du périmètre ?" En modélisant les effets d'écoulement des fluides et de transfert de chaleur dans le logiciel COMSOL Multiphysics, l'équipe Polar Night Energy a pu quantifier les avantages et les inconvénients comparatifs de sa conception. "La simulation a confirmé que la conception du" noyau chaud "était efficace pour stocker la chaleur pendant de très longues périodes", a déclaré Eronen. "Mais pour notre cycle de fonctionnement prévu, il est plus logique de répartir uniformément les conduits d'air chaud dans le réservoir de stockage de sable", explique-t-il.

Figure 5. Images de simulation montrant les changements de température à l'intérieur d'une conception proposée de réservoir de stockage de chaleur sable-air sur une période de 100 heures.

Figure 6. Image de simulation des effets de convection naturelle à travers les conduits à l'intérieur du réservoir de stockage de sable.

L'ampleur du système de stockage de chaleur à base de sable de Polar Night Energy rend le logiciel de simulation indispensable. "Nous ne pouvons pas construire de prototypes grandeur nature pour tester toutes nos idées. Nous avons besoin d'une modélisation prédictive pour répondre à autant de questions que possible, avant de nous engager à assembler tout cet équipement - et tout ce sable !" dit Eronen. "Il est essentiel pour nous d'utiliser ces outils extrêmement puissants."

En séparant la tâche de stockage de chaleur de la génération et de la distribution de chaleur, Polar Night Energy a rendu son système plus efficace et adaptable. Il existe un grand potentiel pour moderniser leurs systèmes de stockage et de transfert de chaleur remplis de sable dans l'infrastructure existante (Figure 7). Tampere, une ville industrielle finlandaise de près de 250 000 habitants, est un terrain d'essai idéal pour cette nouvelle technologie. "Tampere, comme de nombreuses villes européennes, dispose déjà d'un système de chauffage urbain qui fait circuler l'eau dans des quartiers entiers", explique Eronen. "Cela nous permet de passer rapidement de nombreux bâtiments à une source de chaleur renouvelable", dit-il. L'usine pilote de Polar Night Energy à Tampere peut également puiser dans l'électricité du réseau électrique existant, ainsi que dans l'électricité générée par de nouveaux panneaux solaires. Un stockage thermique fiable permet à la ville de produire ou d'acheter de l'électricité au moment le plus abordable, puis de distribuer la chaleur au moment où elle est le plus nécessaire.

Figure 7. Partie du système de transfert de chaleur installé par Polar Night Energy à Tampere, Finlande. Les tuyaux verticaux à gauche font partie de l'échangeur de chaleur, tandis que les éléments chauffants résistifs sont enveloppés d'une isolation blanche à droite. Entre ces composants se trouve le ventilateur radial à circulation d'air.

Depuis que le système de Tampere a commencé à fonctionner au cours de l'hiver 2020-2021, l'équipe Polar Night Energy a collecté des données à comparer à leurs modèles. "Nos simulations se sont avérées très précises, ce qui est encourageant", déclare Eronen. Et comme l'équipe de Polar Night Energy continue de développer ses idées localement, elle vise également à agir à l'échelle mondiale. La même technologie qui réchauffe les longues nuits froides de la Finlande peut également offrir de meilleures options de gestion de l'énergie au reste du monde. Un stockage thermique abordable pourrait aider les industries et les villes à capter la chaleur qui est actuellement gaspillée, ainsi qu'à équilibrer les incohérences dans la production d'énergie éolienne et solaire. Mais alors que Polar Night Energy est impatient de travailler directement avec des clients potentiels, ils se rendent compte que les défis à venir sont trop grands pour qu'ils puissent les relever seuls.

Tommi Eronen, PDG de Polar Night Energy.

"Nous voulons autoriser cette technologie. Si vous exploitez une centrale électrique, veuillez nous contacter", déclare Eronen en riant. Sur une note plus sérieuse, il ajoute : « Nous devons nous éloigner de toutes sortes de combustion, même de la biomasse. Nous devons protéger et restaurer les forêts afin qu'elles puissent continuer à éliminer le carbone de l'air. Parce que le changement climatique se produit si rapidement, nous voulons que nos idées se répandent aussi rapidement que possible.

Statistics Finland, "Plus de la moitié de l'électricité finlandaise a été produite à partir de sources d'énergie renouvelables en 2020", novembre 2021.