Jumeau numérique pour stockage thermique haute température de Kraftblock

Kraftblock a commencé modestement. Très modestement. En effet, le chimiste Martin Schichtel, titulaire d’un doctorat de l’Institut Leibniz des nouveaux matériaux de Sarrebruck, en Allemagne, menait des recherches à l’échelle nanométrique sur le matériau de stockage utilisé dans les systèmes de stockage de chaleur à haute température de Kraftblock. En 2014, il a fondé la société Kraftblock en collaboration avec l’économiste Susanne König. Leur mission : faire progresser la décarbonisation de l’industrie grâce à un approvisionnement innovant, efficace et abordable en chaleur industrielle issue principalement de sources d’énergie renouvelables.

Les résultats de ces recherches ont permis de mettre au point le composant clé de la batterie thermique : un granulé qui stocke l'énergie sous forme de chaleur plutôt que d'électricité et qui présente un fort caractère durable : il ne nécessite aucun élément de terres rares et se compose à 85 % de matériaux recyclés, tels que l'acier ou les scories de verre, que l'on trouve en grandes quantités dans les décharges du monde entier. Cela permet d'éliminer les dépendances et les goulots d'étranglement ; de plus, la formule a été testée pour une durée pouvant aller jusqu'à 40 ans.

Les granulés sont utilisés dans un boîtier en forme de conteneur. Il s’agit du « Kraftblock », l’unité de stockage de chaleur à haute température, qui tire son nom de son fabricant. Elle peut absorber de l’énergie et la stocker pendant, au maximum, deux semaines, avant que la chaleur ne soit récupérée « à la demande ». Les avantages : la chaleur résiduelle issue des processus de production est conservée, et l’énergie issue de sources renouvelables est achetée lorsqu’elle est bon marché. Cela profite aux secteurs industriels grands consommateurs d’énergie dont la chaleur industrielle provenait auparavant principalement des combustibles fossiles.

Le principe du Kraftblock : l'énergie est absorbée lorsque cela s'avère avantageux, puis restituée sous forme de chaleur industrielle lorsque cela est nécessaire. | © Kraftblock

Une efficacité maximale grâce à une simulation approfondie avec Ansys et CADFEM

À première vue, le processus technique au sein d’un Kraftblock est très simple : la chaleur issue de la chaleur résiduelle ou d’énergies renouvelables transformées est insufflée dans l’unité de stockage, où les granulés l’absorbent. La chaleur y reste stockée pendant des heures, voire plusieurs jours, jusqu’à ce qu’elle soit nécessaire aux processus de production. De l’air froid est ensuite insufflé dans l’unité de stockage ; cet air se réchauffe au contact du matériau et est acheminé vers la zone d’application sous la forme requise en tant que chaleur de procédé.

Ce qui semble simple est, d’un point de vue physique, une interaction complexe entre le transfert de chaleur, les processus de dynamique des structures et des fluides, et les interactions entre les particules.

Coup d'œil sur Kraftblock : charge, stockage, décharge… Ces processus physiques complexes sont optimisés à l'aide de simulations Ansys afin de minimiser les pertes. | © Kraftblock

Pour acquérir une compréhension approfondie, identifier les paramètres clés et les optimiser, Kraftblock utilise les outils de simulation Ansys. Avec le Dr Stephan Rother et son équipe, Kraftblock dispose en interne d’experts hautement expérimentés dans ce domaine, qui sont épaulés par des spécialistes de CADFEM selon les besoins.

CADFEM fournit à Kraftblock les logiciels Ansys. Ansys Mechanical est utilisé pour de nombreuses simulations et optimisations structurelles et thermiques. Celles-ci vont des petites et grandes déformations aux analyses de contact et de flambage, en passant par les études du comportement de Kraftblock lors de séismes et les analyses thermiques liées à l'isolation.

Les simulations réalisées dans divers domaines physiques aident les ingénieurs de Kraftblock à comprendre et à tirer parti des relations et des interactions physiques. | © Kraftblock

Pour ses calculs CFD, Kraftblock s'appuie sur Ansys Fluent et Ansys CFX. Ces calculs consistent généralement à simuler le comportement des écoulements d'air et le transfert thermique au sein du milieu poreux, c'est-à-dire l'interaction avec le matériau et la structure. Chaque détail comptant ici, les modèles sont très volumineux et sont résolus à l'aide de la technologie GPU et d'un cluster HPC doté de 8 cœurs.

Ansys Rocky est utilisé pour simuler le comportement de tassement et la densité de tassement des granulés de stockage à l’aide de la méthode des éléments discrets (DEM). Cela permet à l’équipe de Kraftblock d’analyser le comportement du matériau de stockage et sa répartition, et d’optimiser sa disposition en fonction des processus d’écoulement et du comportement structurel.

Coup d'œil à l'intérieur du Kraftblock numérique pendant le processus de chargement : élévation de la température des granulés et comportement d'écoulement. | © Kraftblock

Au cours de ses simulations dans divers domaines, notamment au cours des premières années, Kraftblock a bénéficié, dès ses débuts, du programme Ansys Startup, qui donne accès à de nombreux outils Ansys. CADFEM apporte également un soutien supplémentaire sous forme de formations, d’assistance technique et de conseil.

De plus, CADFEM joue le rôle de partenaire de réflexion auprès de l’équipe technique de Kraftblock pour l’évaluation de nouveaux domaines d’application, tels que les jumeaux numériques basés sur la simulation.

La transparence pour tous : le jumeau numérique apporte de la clarté

Un nouveau projet mené par l’équipe de Kraftblock et Stephan Rother, en collaboration avec CADFEM, démontre que la simulation chez Kraftblock va désormais au-delà de l’analyse et de l’optimisation des propriétés physiques et des relations. Le troisième partenaire de cette collaboration est ITficient AG qui se concentre sur l'exploitation en continu du système de stockage. Son comportement doit être modélisé avec précision dans un environnement virtuel en intégrant des données provenant de diverses sources et d'outils informatiques. Ce jumeau numérique est un système entièrement numérisé qui permet une surveillance en temps réel de l'état de l'installation et apporte ainsi une véritable valeur ajoutée aux exploitants.

Atteindre l'objectif en quatre étapes avec CADFEM et ITficient

CADFEM et ITficient ont déjà développé des jumeaux numériques pour et en collaboration avec divers clients. L’approche en quatre étapes s'est avérée efficace pour accompagner les clients tout au long du processus, de la conception à la mise en œuvre. Chacune de ces quatre étapes du projet débute par une étude dont l'objectif est clair:

1. Analyse de la situation actuelle, définition des objectifs et identification d’un cas d’utilisation adapté
2. Analyse du paysage technologique, des processus et des sources de données
3. Comparaison entre l’infrastructure informatique et de testing existante et celle requise
4. Concept technique détaillé et feuille de route pour la mise en œuvre

Un cas pratique pertinent : l'état de charge

Un Kraftblock est une batterie thermique et présente donc une caractéristique commune aux batteries classiques : son état de charge exact ne peut être déterminé sans recourir à des outils supplémentaires. Cette information étant essentielle pour les opérateurs, des capteurs sont intégrés au Kraftblock afin de déterminer son état de charge.

Le coeur du problème : le remplacement des capteurs nécessite un effort considérable ; en cas de défaillance, les informations relatives à l'état de charge perdent en précision, ce qui en compromet l'efficacité.

C'est précisément dans ce contexte qu'a été identifié le cas pratique spécifique à mettre en œuvre dans le cadre du projet Volt : dans le cadre de ce projet, le fournisseur d'énergie néerlandais Eneco installe un système Kraftblock chez PepsiCo afin de décarboner la production alimentaire. Pour cette installation, un prototype de « jumeau numérique » du Kraftblock doit être développé afin d'afficher de manière fiable l'état actuel de charge. Pour ce faire, on utilisera des capteurs virtuels qui viendront compléter, voire remplacer, les capteurs physiques existants.

 Le projet « Volt » d'Eneco, grâce auquel PepsiCo décarbonise sa production alimentaire. | © Kraftblock / Eneco / Karin de Backer 

Si cette initiative aboutit, divers acteurs en bénéficieront :

• L'exploitant du système de stockage d'Eneco, qui pourra ainsi contrôler l'approvisionnement en chaleur destiné à la production.
• La direction d'Eneco, qui pourra surveiller et optimiser les processus.

Ce cas présente également un intérêt pour Kraftblock, car il constitue l'un des éléments clés de ses propres nouveaux modèles économiques, tels que le « Heat-as-a-Service ».

Les jumeaux numériques, la clé du « Heat-as-a-Service »

Le « Heat-as-a-Service » consiste à proposer aux clients une alternative à l’achat de systèmes de stockage d’énergie. Au lieu d’acheter un système de stockage, le client souscrit des contrats de fourniture de chaleur adaptés à ses besoins. Ce modèle nécessite de connaître l’état de charge exact. Ce n’est qu’ainsi que la vapeur, l’huile thermique ou l’air chaud peuvent être fournis à la température spécifiée et avec le débit massique requis, dans un créneau horaire défini. La responsabilité en incombe à Kraftblock en tant que fournisseur du système, ce qui nécessite une surveillance fiable de l’état des installations.

L'équipe technique de Kraftblock travaille sur le jumeau numérique en collaboration avec des collègues de la nouvelle division Energy Services, ainsi qu'avec CADFEM et ITficient. Conformément à la feuille de route élaborée lors des ateliers d’étude organisés au sein de ce groupe, le comportement des capteurs au sein de Kraftblock est modélisé à partir des données disponibles, dont une grande partie provient de simulations FEM, CFD et DEM antérieures. La validation, la consolidation et le calcul des sensibilités sont suivis de simulations du système, qui sont ensuite intégrées à l’infrastructure informatique appropriée. Kraftblock prévoit d’achever le premier jumeau opérationnel pour Eneco Volt au printemps 2027.

Une fois développé pour ce premier cas, il pourra être adapté et personnalisé pour répondre aux futurs contrats « Heat-as-a-Service » et à leurs exigences spécifiques dans le cadre du nouveau modèle économique.