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Un nouveau système de stockage d’énergie pour les gratte-ciels a été récemment introduit au Canada. Conçu par des chercheurs de l’Université de Waterloo, ce système de stockage d’énergie par gravité solide est adapté au stockage d’énergie renouvelable. Il combine des panneaux photovoltaïques montés sur les façades, de petites éoliennes sur les toits, des batteries Li-Ion et un système de stockage d’énergie par gravité basé sur des treuils à corde. Ce système novateur promet de transformer la façon dont les bâtiments de grande hauteur gèrent leur consommation d’énergie et leur indépendance vis-à-vis du réseau électrique.
Une approche d’optimisation multi-objectifs
Les chercheurs ont mis en place un cadre d’optimisation multi-objectifs pour minimiser à la fois le coût actualisé de l’électricité (LCOE) et la dépendance au réseau (GD). Ce cadre prend en compte une logique de répartition réaliste et le fonctionnement annuel. Le système est optimisé pour 625 conceptions paramétriques de bâtiments, couvrant différentes intensités d’utilisation de l’énergie (EUI) et configurations géométriques, définies par le rapport surface de façade/volume, longueur/hauteur et empreinte au sol.
Le système basé sur des treuils à corde fonctionne en combinaison avec des façades photovoltaïques installées sur les murs sud, est et ouest, ainsi que de petites éoliennes sur les toits et des batteries lithium-ion. Dans cette configuration, le système à base de gravité sert de principale unité de stockage d’énergie, tandis que les batteries sont utilisées uniquement pour un stockage à réponse rapide lors de surplus ou de pénuries de production significatifs.
Composants du système : unité moteur-générateur et cordes de levage
Le système se compose d’une unité moteur-générateur, de cordes de levage, d’engrenages de transmission et d’une masse lourde, généralement en acier ou en blocs de béton. Cette masse est fréquemment levée et abaissée dans un noyau d’ascenseur vertical ou une tour de conteneur. Lorsque de l’électricité excédentaire est disponible, le moteur soulève la masse vers le haut, stockant l’énergie excédentaire sous forme de potentiel gravitationnel. Lorsqu’une pénurie d’énergie se présente, la masse est abaissée, et le générateur convertit l’énergie stockée en électricité.
Selon les chercheurs, cette conception est techniquement viable et a également prouvé sa viabilité commerciale récemment. Publiée dans Applied Science, l’étude met en avant que le système a atteint des valeurs de coût actualisé de l’électricité (LCOE) entre 0,051 et 0,111 €/kWh et des valeurs de GD entre 0,195 et 0,888, selon la conception du bâtiment. Ces valeurs sont conformes, voire meilleures, que celles rapportées pour des systèmes similaires intégrés aux bâtiments dans des lieux à faibles ressources.
Les bâtiments plus hauts avec de grandes surfaces au sol : un atout
Les chercheurs ont également souligné que les bâtiments plus hauts avec de grandes surfaces au sol tendent à atteindre des LCOE plus bas mais des valeurs de GD plus élevées. La capacité de GS (stockage par gravité) augmente constamment avec l’augmentation de l’EUI. Le GS s’est révélé être le composant le plus influent sur l’autonomie du système, avec sa capacité spécifique allant de près de 0 % à 100 % de la demande quotidienne moyenne selon les différents bâtiments.
Le travail des chercheurs met en évidence le potentiel prometteur du GS pour renforcer la résilience et la durabilité au niveau des bâtiments, en particulier dans les grands immeubles avec une EUI modérée à faible. L’équipe a souligné que les études futures pourraient étendre cette recherche en intégrant l’incertitude des données de demande et de météo, en tenant compte des charges thermiques et des systèmes de cogénération, en envisageant un GS partagé entre plusieurs bâtiments, ou en développant des méthodes de contrôle adaptatives et prédictives.
Une technologie à évaluer selon les zones climatiques
Les chercheurs ont noté que la faisabilité de cette technologie devrait également être évaluée sous différentes zones climatiques. De plus, des évaluations complètes du cycle de vie (de la création à la destruction) du GS sont nécessaires pour mieux comprendre les mérites et les limites de la technologie. Ces analyses permettront de déterminer dans quelle mesure le système de stockage par gravité peut s’adapter aux variations climatiques et aux exigences énergétiques fluctuantes des bâtiments modernes.
Alors que la technologie continue de se développer, il reste crucial de comprendre comment elle peut être intégrée efficacement dans différents environnements urbains. Comment ces avancées pourraient-elles transformer notre approche de la gestion de l’énergie dans les villes de demain ?
