Scénarios pour une nouvelle « ère du fer » : le fer vient compléter l'hydrogène en tant que source d'énergie

À l'avenir, le fer pourrait servir de stockage chimique d'énergie et permettre de disposer à long terme de grandes quantités d'énergie renouvelable. Dans ce processus, de la poudre de fer est brûlée dans un cycle_{neutre en CO₂} puis ramenée à son état initial grâce à un apport d'énergie. Des chercheurs de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont, pour la première fois, mené une étude approfondie sur le potentiel de cette technologie en matière de production d’électricité. Leurs résultats montrent que le fer ne remplace pas l’hydrogène, mais qu’il peut le compléter de manière judicieuse dans un système énergétique neutre sur le plan climatique. Publication dans Chem Circularity.

Qu’il s’agisse d’énergie éolienne provenant des régions côtières ou d’énergie solaire issue des zones désertiques, le fer pourrait à l’avenir servir de vecteur énergétique transportable afin de rendre ces énergies renouvelables exploitables à l’échelle mondiale. « Cela fonctionne dans un cycle sans émissions de dioxyde de carbone ni substances nocives pour l’environnement », explique Julia Schuler, de l’Institut de gestion industrielle et de production industrielle (IIP) du KIT. Pour produire de l’énergie, on brûle de la poudre de fer. Il en résulte de l’oxyde de fer, c’est-à-dire de la rouille. Celle-ci est ensuite réduite en fer à l’aide d’hydrogène issu de sources renouvelables, ce qui permet d’éliminer l’oxygène qu’elle contient. La poudre de fer peut alors être réutilisée. « La poudre de fer se comporte de manière très similaire au charbon lors de la combustion. C’est pourquoi la recherche se demande si les centrales à charbon existantes peuvent être converties pour fonctionner au fer », explique Mme Schuler. Des adaptations seraient surtout nécessaires au niveau du générateur de chaleur ; d’autres composants de la centrale, tels que le circuit de vapeur, les turbines, le générateur et le raccordement au réseau, pourraient être réutilisés dans ce concept.

Le cycle du fer complète l’économie de l’hydrogène

S'appuyant sur les résultats du projet de recherche « Clean Circles » consacré au cycle du fer, des scientifiques du KIT ont désormais étudié, dans le cadre d'une étude financée par la Fondation pour la recherche énergétique du Bade-Wurtemberg, comment le cycle du fer peut être utilisé pour produire de l'électricité dans un système énergétique européen neutre en carbone. Pour ce faire, ils ont étendu un modèle de système énergétique établi (PERSEUS) en y intégrant l’option de conversion des centrales à charbon, ainsi que des installations de réduction et des voies de stockage et de transport. À l’aide de ce modèle étendu, ils ont ensuite optimisé le développement du système énergétique européen jusqu’en 2050. Dans ce cadre, le cycle du fer était mis en concurrence avec d’autres technologies telles que les batteries, les systèmes de stockage d’hydrogène et les centrales à hydrogène.

Les résultats montrent que le fer ne remplace pas la production d’électricité à base d’hydrogène, mais qu’il peut la compléter de manière judicieuse dans un système énergétique neutre sur le plan climatique. Le fer présente notamment des avantages en tant que moyen de stockage à long terme. La poudre est relativement facile à stocker et à transporter, tandis que l’utilisation de l’hydrogène nécessite un réseau complexe de gazoducs, de terminaux d’importation et de stockages souterrains. La poudre de fer permettrait également de transporter l’énergie renouvelable à l’échelle mondiale avec des coûts d’infrastructure moindres. Parallèlement, des installations de réduction locales pourraient transformer les excédents d’électricité en Europe en poudre de fer, un vecteur énergétique stockable, en passant par l’étape intermédiaire de la production d’hydrogène.

Dans les simulations, les centrales alimentées à la poudre de fer se sont révélées particulièrement intéressantes dans les pays où les possibilités d’exploitation de l’énergie hydraulique ou de stockage souterrain de l’hydrogène sont limitées. Dans ces régions, le fer peut contribuer à combler les déficits d’approvisionnement pendant les longues périodes de faible production d’électricité issue des installations éoliennes et solaires. Parallèlement, cela soulage l’infrastructure de l’hydrogène, par exemple lorsque les capacités d’importation ou les conduites de transport atteignent leurs limites. En raison de ses nombreuses centrales à charbon, le potentiel est également particulièrement élevé en Allemagne. Les turbines, les raccordements au réseau, les réseaux de chauffage et d’autres éléments de l’infrastructure pourraient être conservés.

Réduire les coûts grâce au cycle du fer

Les chercheurs ont considéré comme un signe encourageant pour le développement de cette technologie le fait que les centrales alimentées à la poudre de fer faisaient partie intégrante d’un système énergétique à coûts minimaux dans tous les scénarios étudiés. « À l’avenir, le fer pourrait jouer un rôle spécifique, mais économiquement pertinent, pour atteindre la neutralité climatique et garantir la disponibilité fiable des énergies renouvelables », explique M. Schuler. La question de savoir si une nouvelle « ère du fer » va réellement s’ouvrir dépendra en grande partie du coût de la conversion des centrales existantes et de l’efficacité avec laquelle l’oxyde de fer pourra à l’avenir être réduit en fer.