Rapport de recherche approfondi sur les systèmes de réservoirs de stockage de sels fondus

Aperçu de la conception technique, des sciences des matériaux et des applications mondiales

Dans le cadre de la transition énergétique mondiale et du processus de décarbonation, les technologies de stockage d'énergie à longue durée (LDES) sont considérées comme essentielles pour pallier l'intermittence des énergies renouvelables. Le stockage d'énergie thermique par sels fondus (TES) est devenu une configuration standard pour les centrales solaires thermodynamiques (CSP) et les centrales nucléaires de nouvelle génération, grâce à sa haute densité énergétique, sa longue durée de vie, son faible coût et sa sécurité supérieure aux systèmes de batteries existants. Élément central de ce système, la conception et la construction des réservoirs de stockage de sels fondus font appel à une mécanique des structures complexe et sont étroitement liées à la science des matériaux à haute température, à la cinétique de la corrosion électrochimique et à la dynamique des fluides thermiques. Ce rapport propose une analyse complète des réservoirs de stockage de sels fondus, abordant des aspects tels que les fondements thermophysiques, la conception des structures, les défis liés à la science des matériaux, les applications commerciales à l'échelle mondiale et les perspectives d'évolution technologique.   

Fondements thermophysiques et principes de fonctionnement

Le principe fondamental du stockage d'énergie par sels fondus repose sur l'exploitation des propriétés de stockage de chaleur sensible des sels inorganiques à l'état liquide. Contrairement au stockage de chaleur latente (à changement de phase), le stockage de chaleur sensible permet l'absorption et la libération d'énergie par variation de température du milieu, une méthode plus éprouvée et moins coûteuse à mettre en œuvre.¹

Analyse quantitative thermodynamique de la capacité de stockage

La quantité totale de chaleur stockée $Q$ d'un système de sels fondus obéit à la loi de conservation de l'énergie et se calcule comme suit :

En pratique, la densité de stockage d'énergie du système est limitée conjointement par la capacité thermique massique Cp, la masse volumique ρ et l'écart de température de fonctionnement △T. Prenons l'exemple du sel solaire (nitrate binaire), couramment utilisé : dans une plage de fonctionnement typique de 290 °C à 565 °C, sa capacité thermique volumique peut atteindre environ 200 kWh/m³. ²Cette densité énergétique élevée permet un stockage d'énergie à grande échelle dans un espace relativement restreint.

Propriétés thermophysiques comparatives des milieux de sels fondus

Le choix du sel fondu détermine directement les limites de conception du réservoir de stockage. Actuellement, le sel commercial le plus couramment utilisé est un mélange à 60 % de nitrate de sodium (NaNO₃).₃ et 40 % de nitrate de potassium KNO₃De plus, des sels spécialisés pour différentes plages de température font l'objet de recherches et de démonstrations.

Trait	Nitrate binaire (sel solaire)	Nitrate ternaire (avec LiNO3)	Sel Hitec	Sels de chlorure (cible Gen3)
Point de fusion (°C)	≈ 240	≈ 124	≈ 142	≈ 450-500
Limite de stabilité ($^{\circ}C$)	≈ 565-600	≈ 550	≈ 538	≈ 800+
Viscosité (à 300 °C, cP)	≈ 4-7	≈ 7-8	≈ 3-4	Faible (à haute température)
Niveau de coût	Faible	Extrêmement élevé (en raison du Li)	Moyenne	Moyenne
Application principale	Tour/concentrateur solaire commercial à concentration (CSP)	Recherche LDES	Capteurs solaires thermodynamiques à cylindrée / Chaleur industrielle	Systèmes supercritiques de nouvelle génération

Des recherches indiquent que, bien que les sels ternaires contenant du lithium aient des points de fusion extrêmement bas, ce qui permet de réduire efficacement la consommation d'énergie de l'antigel, leur capacité thermique massique diminue de 1.794 J/g·K à 1.409 J/g·K lors d'une utilisation prolongée (plus de 15,000 3 heures). Cette diminution est principalement due à la décomposition du LiNO₃ et à la formation de précipités résultant de la réaction des oxydes de lithium avec les impuretés.³

Ingénierie des structures et configurations des systèmes

La conception des réservoirs de sels fondus doit permettre de surmonter les contraintes de fluage, de dilatation/contraction thermique et de forte pression de la colonne de liquide dans des environnements à très haute température. Les pratiques d'ingénierie actuelles ont évolué vers plusieurs solutions, notamment les systèmes à deux réservoirs et les systèmes à thermocline à réservoir unique.

Systèmes à deux réservoirs : Analyse de stabilité du modèle commercial de référence

La configuration à double réservoir est la seule technologie à grande échelle ayant fait l'objet d'une validation commerciale. Elle se compose d'un « réservoir froid » (maintenu à environ 290 °C) et d'un « réservoir chaud » (généralement à 565 °C). Le principal avantage de cette conception réside dans le « découplage complet de la puissance et de la capacité » : l'augmentation de la durée de stockage ne nécessite qu'une augmentation de la taille du réservoir et du volume de sel, sans qu'il soit nécessaire d'augmenter la puissance des échangeurs de chaleur.⁴

Lors du cycle de charge, le sel froid est pompé du réservoir froid vers un capteur solaire ou une chaudière de récupération de chaleur pour être chauffé, puis stocké dans le réservoir chaud. Le cycle de décharge est inverse : le sel chaud traverse un générateur de vapeur pour produire de la vapeur supercritique qui actionne une turbine et génère de l’électricité. Ce système maintient une température de sortie constante, un atout majeur pour la gestion du réseau et la longévité de la turbine à vapeur.⁵

Thermocline et stockage du matériau de remplissage : pistes de réduction des coûts

Afin de réduire les dépenses d'investissement d'environ 35 %, les communautés académiques et d'ingénierie travaillent sur des systèmes à réservoir unique. Dans un tel système, la stratification naturelle du fluide (sel chaud, moins dense en surface, sel froid, plus dense au fond) est exploitée, formant une couche de transition thermocline de plusieurs mètres d'épaisseur._⁶

• Technologie des charges solides : Pour réduire davantage les coûts, le réservoir peut être rempli à 50-75 % de matériaux solides peu coûteux (tels que des cailloux ou des briques de céramique), le sel fondu servant uniquement de fluide caloporteur dans les pores. Les difficultés de cette conception résident dans la pression latérale exercée par le matériau de remplissage solide sur les parois du réservoir et dans le maintien de la stabilité de la thermocline lors des cycles de charge/décharge.⁷   
• Conception de barrière flottante : Une autre solution innovante consiste à placer un disque flottant ou une barrière dont la densité se situe entre celle du sel chaud et celle du sel froid afin de réduire physiquement la convection thermique et le mélange.⁸

Conception des fondations des réservoirs et gestion thermique

Les fondations des réservoirs doivent non seulement supporter des charges de plusieurs dizaines de milliers de tonnes, mais aussi présenter des capacités de gestion thermique exceptionnelles afin de prévenir le dessèchement et la fissuration du sol, ainsi que la rupture du béton. Les grands réservoirs modernes de sels fondus (d'un diamètre pouvant atteindre 40 mètres et d'un volume de sel de 30 000 tonnes) utilisent généralement des fondations composites multicouches.⁹

Couche de fondation	Matériaux communs	Fonction principale
Contact avec le fond du réservoir	Fibre d'alumine-silicate / brique réfractaire	Isolation thermique ; réduit le flux de chaleur vers le béton
Isolation porteuse	Verre cellulaire / Béton léger	Assure le soutien structurel tout en limitant les pertes de chaleur
Système de refroidissement	Ventilation active / Refroidissement par eau	Maintient la température du béton entre 60 et 80 °C
Soutien structurel	Fondation sur pieux et radier	Réduit les tassements inégaux ; améliore l'adaptation géologique

Des études montrent que l'utilisation d'une fondation sur pieux et radier peut réduire le tassement au centre de la surface supérieure de la fondation de 380.1 mm par rapport aux méthodes traditionnelles, améliorant ainsi considérablement la sécurité des grands réservoirs dans des conditions géologiques complexes.

Science des matériaux à haute température : corrosion, fluage et prédiction de la durée de vie

À des températures de fonctionnement de 565℃ et plus, les sels fondus sont non seulement hautement oxydants, mais leurs propriétés physiques posent également de sérieux défis à la résistance mécanique des matériaux.

Caractérisation des performances des principaux matériaux candidats

Le choix des matériaux exige un équilibre entre la résistance au fluage à haute température, la résistance à la corrosion et le coût. Pour les réservoirs froids (< 400 °C), l'acier au carbone (tel que l'ASTM A516 Gr70) peut garantir une durée de vie de 30 ans avec une marge de corrosion appropriée (environ 0.078 mm/an). En revanche, les réservoirs chauds nécessitent l'utilisation d'aciers inoxydables haute performance ou d'alliages à base de nickel.¹⁰

• Acier inoxydable AISI 347H : Actuellement, ce matériau est privilégié pour la fabrication de réservoirs à haute température, grâce à sa bonne résistance à haute température. Cependant, il est sensible à la fissuration par relaxation des contraintes (FRC), qui peut facilement entraîner des fissures dans les zones affectées thermiquement par les soudures.¹¹
• AISI 316L et 321H : Des alternatives courantes qui, bien que légèrement moins résistantes que l'acier inoxydable 347H, présentent une meilleure ductilité et une meilleure stabilité à la corrosion dans des environnements salins spécifiques.
• Alliages à base de nickel (Inconel 625 / Hastelloy N) : Les seuls choix possibles pour les systèmes à sels chlorés (> 700 °C). Bien que leurs performances soient excellentes, leur coût (supérieur à 20 €/kg) limite considérablement leur utilisation dans les réservoirs de stockage à grande échelle.¹²

Cinétique de corrosion et analyse des micromécanismes

La corrosion par les sels fondus est un processus physico-chimique complexe influencé par les gradients de température, la teneur en oxygène et la pureté du sel.

1. Corrosion statique et croissance de la couche d'oxyde : Dans un bain de sel fondu statique, les surfaces d'acier forment une couche protectrice d'oxyde de fer (Fe₂O₃) ou à structure spinelle (Fe₃O₄) couches. Cependant, des cycles thermiques prolongés provoquent l'écaillage de ces couches, exposant ainsi de nouvelles surfaces métalliques et entraînant une corrosion continue.
2. Impact des impuretés : Ion chlorure (Cl^-) Les impuretés sont les principaux responsables de l'accélération de la corrosion, car elles peuvent pénétrer les couches d'oxyde et provoquer des piqûres. De plus, les impuretés de sels de magnésium peuvent se décomposer sous l'effet de la chaleur pour produire du NO.₂ gaz, qui est dangereux pour l'environnement et accroît la corrosivité du sel.
3. Corrosion électrochimique : Agissant comme un électrolyte, le sel fondu génère des courants galvaniques à la jonction de différents métaux ou dans des zones présentant des différences de température, ce qui entraîne une perte localisée rapide d'éléments métalliques.

Ingénierie des systèmes auxiliaires et des composants clés

Un réservoir de sels fondus n'existe pas de manière isolée ; son fonctionnement efficace dépend de pompes, de vannes et de systèmes de surveillance précis.

Contraintes de conception des pompes à sels fondus

Les pompes centrifuges verticales sont la norme pour les réservoirs de sels fondus. La profondeur de ces réservoirs est généralement limitée à 14 mètres par le rapport d'aspect de l'arbre et la nécessité de maîtriser les vibrations à haute température. En effet, les arbres plus longs sont très sensibles au fluage thermique et à la rupture de l'équilibre dynamique à 565 °C. De plus, les systèmes d'étanchéité des pompes doivent résister aux embruns salins et à l'usure potentielle due aux cristaux de sel.   

Défis techniques des vannes à sels fondus haute température

L’obtention d’une étanchéité parfaite à des températures extrêmes représente un défi d’ingénierie majeur. Les vannes pour sels fondus doivent répondre aux problématiques clés suivantes :

• Conception antigel : Les vannes sont généralement intégrées à des systèmes de traçage électrique pour garantir que la température interne reste supérieure au point de solidification du sel (par exemple, 240℃) afin d'empêcher la tige de la vanne de « geler ».   
• Scellage de la boîte à garniture : Les garnitures en graphite traditionnelles s'oxydent au-dessus de 500 °C. Les conceptions modernes utilisent souvent des chapeaux allongés pour éloigner les joints de la source de chaleur et les combinent avec des matériaux composites comme les fibres PBI.   
• Atténuation des contraintes thermiques : Les corps de vannes doivent subir une analyse par éléments finis (FEA) pour s'assurer qu'aucune déformation du siège ne se produise lors des démarrages et arrêts thermiques fréquents.   

Leçons tirées d'un projet commercial et analyse des échecs : le cas de Crescent Dunes

Le projet Crescent Dunes (110 MW) au Nevada, aux États-Unis, en tant que première centrale CSP commerciale à grande échelle au monde de type tour avec stockage de sels fondus, a fourni des leçons inestimables pour l'industrie.

Analyse des causes profondes des fuites au fond des réservoirs

Depuis sa mise en service en 2015, le projet a connu quatre fuites importantes de réservoirs de sel chaud, entraînant des arrêts de production de longue durée et, finalement, la faillite.   

1. Flambement du fond du réservoir : En raison du diamètre important du réservoir chaud et de la grande différence de température de fonctionnement, les plaques de plancher en acier ont généré d'énormes contraintes de compression lorsque la dilatation thermique a été limitée, ce qui a finalement conduit à un flambage et à une déformation vers le haut.   
2. Interaction des contraintes résiduelles de soudage : L'analyse des défaillances réalisée par le NREL a mis en évidence que les contraintes résiduelles initiales générées lors du soudage sur site constituaient une « signature » ​​de la défaillance. En service, ces contraintes, combinées aux contraintes dues aux cycles thermiques, ont entraîné un dépassement de la limite d'élasticité de l'acier inoxydable 347H, provoquant ainsi des fissures de fatigue.   
3. Mélange inadéquat : Si l'apport de sel chaud ne se mélange pas correctement au sel déjà présent, d'importants gradients de température peuvent se former au fond du réservoir. Cette charge thermique non uniforme est l'un des principaux facteurs de fissuration.   

Pour y remédier, la centrale a finalement dû réduire sa température de fonctionnement de 565 °C (valeur prévue) à environ 450-480 °C, ce qui a entraîné une baisse de la production d'énergie d'environ 45 %, compromettant gravement la viabilité économique du projet.   

Paysage mondial du stockage de sels fondus : l’essor de la Chine

À l'échelle mondiale, la Chine est devenue le marché le plus dynamique pour la technologie de stockage des sels fondus, avec des projets d'une envergure et d'une rapidité d'itération technologique parmi les plus rapides au monde.

Aperçu du marché chinois des centrales solaires thermodynamiques et des énergies renouvelables à basse énergie.

Fin 2025, la Chine aura construit 27 systèmes CSP d'une capacité installée cumulée de 1 738,2 MW, soit une augmentation de 107 % par rapport à 2024.   

Entreprise / Projet	Parcours technologique	Échelle / Durée de stockage
Cosin solaire	Tour de sel fondu	350 MW (Golmud)	La plus grande unité unique au monde, en construction
Shouhang High-Tech	Tour de sel fondu	100 MW (Dunhuang)	En opération, il a battu plusieurs records
CHN Energy (Anhui Suzhou)	Stockage de charbon et de sels fondus	1,000 MWh	Le plus grand projet de flexibilité d'une centrale à charbon nationale
CSSC Nouvelle énergie	Bac à sel fondu	100 MW (Bannière centrale d'Urad)	Production de 301 millions de kWh en 2025

Le leadership de la Chine se reflète non seulement dans ses capacités, mais aussi dans des scénarios innovants tels que le « charbon + stockage ». En ajoutant des réservoirs de stockage de sels fondus aux centrales thermiques au charbon existantes, un découplage thermoélectrique peut être réalisé, offrant aux unités au charbon une capacité de pointe de 100 MW et permettant la consommation d'environ 128 millions de kWh d'énergie éolienne et solaire par an.   

Processus de normalisation : De l'API à l'ASME TES-1

En raison des limites des normes traditionnelles, le secteur du stockage des sels fondus entre dans l'ère des codes dédiés. La publication de ASME TES-1 (2020/2023) Norme de sécurité pour les systèmes de stockage d'énergie thermique : sels fondus Cette norme marque le passage de l'industrie d'une conception empirique à une conception fondée sur des normes. Elle spécifie les exigences pour l'ensemble du cycle de vie — de la conception à la mise hors service, en passant par la fabrication et l'installation — et couvre tous les aspects techniques des réservoirs, pompes, vannes et échangeurs de chaleur. Des entreprises chinoises comme Cosin Solar sont également à la pointe de l'élaboration de plusieurs normes nationales pour le stockage thermique des sels fondus, consolidant ainsi davantage les fondements techniques de l'industrie.   

Applications diversifiées et perspectives d'avenir

L'utilisation des réservoirs de stockage de sels fondus s'étend de l'énergie solaire thermodynamique à l'énergie nucléaire, au chauffage industriel et à la production d'hydrogène.

Réacteurs à sels fondus (RSF) : l'avenir de l'énergie nucléaire

Dans les réacteurs à sels fondus, le sel fondu sert non seulement de fluide caloporteur, mais souvent aussi de solvant pour le combustible nucléaire.

• Avantages en matière de sécurité : Les réacteurs à sels fondus (RSF) fonctionnent à pression atmosphérique, éliminant ainsi les risques d'explosion associés aux réacteurs à eau légère haute pression. Le sel combustible se dilate naturellement en cas de surchauffe, créant un effet de rétroaction négative qui ralentit la réaction.   
• La gestion des déchets: Le combustible liquide permet un retraitement en ligne, convertissant les actinides à longue durée de vie en combustible et réduisant considérablement les exigences de demi-vie des déchets nucléaires (de dizaines de milliers d'années à environ 300 ans).   

Intégration de la chaleur de procédé industrielle et de l'hydrogène

Les réservoirs de sels fondus peuvent servir de « batteries thermiques », fournissant une chaleur de procédé stable à haute température pour les industries lourdes difficiles à dépolluer telles que la sidérurgie, la céramique et le traitement chimique.   

• Hydrogène vert: L'utilisation de la chaleur à haute température stockée dans les sels fondus peut alimenter des cycles d'électrolyse de la vapeur à haute température (SOEC) ou des cycles thermochimiques pour la production d'hydrogène, avec des rendements bien supérieurs à ceux de l'électrolyse à basse température.   
• Récupération de chaleur perdue: La chaleur résiduelle industrielle peut être stockée dans des réservoirs de sels fondus et convertie en électricité ou en vapeur industrielle pendant les périodes de pointe de la demande, permettant ainsi une utilisation efficace de l'énergie en cascade.   

Tendances de l'évolution technologique

Au cours de la prochaine décennie, le développement des réservoirs de stockage de sels fondus s'articulera autour de trois axes principaux :

1. Défis liés aux températures ultra-élevées (Gen3) : Les systèmes à sels chlorés porteront les températures de fonctionnement à plus de 700 °C. Cela transformera complètement la conception des réservoirs, passant de structures à « métal porteur » à des structures à « isolation céramique interne + support métallique externe ».   
2. Jumeaux numériques et maintenance prédictive : Utilisation des technologies de détection par réseau de Bragg sur fibre (FBG) et de corrélation d'images numériques (DIC) pour surveiller la déformation du réservoir en temps réel, en construisant des modèles basés sur la physique pour identifier les fissures de fatigue au début.   
3. Nouveaux revêtements et modification de surface : Le développement de revêtements céramiques résistants à la corrosion ou de revêtements composites multicouches sur des surfaces en acier peu coûteuses promet de maintenir une durée de vie de 30 ans tout en réduisant considérablement les coûts des matériaux.   

En conclusion, le réservoir de stockage de sels fondus représente non seulement une technologie d'ingénierie éprouvée, mais aussi un domaine de recherche scientifique en constante évolution. Grâce aux avancées en science des matériaux et à la normalisation des procédés, il constituera un maillon essentiel et indispensable à la construction de systèmes énergétiques flexibles et à faible émission de carbone à l'échelle mondiale.   

Références

1. Stockage d'énergie thermique – Wikipédia
2. Stockage de sels fondus pour la production d'électricité
3. Évaluation à long terme d'un mélange ternaire de sels fondus dans les systèmes de stockage thermique solaire : impact sur les propriétés thermophysiques et la corrosion – PubMed
4. Réservoirs de sels fondus pour le stockage d'énergie thermique : aspects à prendre en compte lors de la conception – MDPI
5. https://rpow.es/energy-storage-solutions/molten-salt-energy-storage/
6. Stabilité thermique des sels de nitrite/nitrates fondus pour le stockage de l'énergie solaire thermique sous différentes atmosphères | Demande de PDF – ResearchGate
7. Aperçu et analyse détaillée des sels de nitrate pour le stockage de chaleur sensible et latente – PMC – PubMed Central
8. Stockage d'énergie thermique dans les sels fondus : aperçu des nouveaux concepts et de l'installation d'essai du DLR (TESIS)
9. Schéma structurel du réservoir de sels fondus. | Télécharger le schéma scientifique
10. Conception, corrosion et isolation des systèmes de stockage d'énergie solaire par sels fondus à 565 °C – David Publishing
11. Analyse des défaillances des réservoirs de stockage d'énergie thermique à sels fondus pour les centrales CSP en service
12. Étude d'application des vannes pour milieux corrosifs à haute température sur le marché international