Une start-up du MIT réinvente la brique réfractaire pour décarboner l’industrie

Electrified Thermal Solutions, une entreprise dérivée du MIT, a mis au point une brique réfractaire conductrice d’électricité qui stocke la chaleur à des températures suffisamment élevées pour alimenter les processus industriels.

Que vous fabriquiez du ciment, de l’acier, des produits chimiques ou du papier, vous avez besoin d’une grande quantité de chaleur. Presque sans exception, les fabricants du monde entier créent cette chaleur en brûlant des combustibles fossiles.

Afin d’assainir le secteur industriel, certaines start-ups modifient les processus de fabrication de matériaux spécifiques. Certaines modifient même les matériaux eux-mêmes. Daniel Stack PhD, tente de résoudre le problème des émissions industrielles en remplaçant la source de chaleur.

Depuis son arrivée au MIT en 2014, Stack a travaillé au développement de piles thermiques qui utilisent l’électricité pour chauffer une version conductrice des briques réfractaires en céramique, utilisées comme accumulateurs de chaleur et isolants depuis des siècles. En 2021, M. Stack a cofondé Electrified Thermal Solutions, qui a depuis démontré que ses briques réfractaires peuvent stocker efficacement la chaleur pendant des heures et la décharger en chauffant de l’air ou du gaz jusqu’à 3 272 degrés Fahrenheit – une température suffisante pour alimenter les applications industrielles les plus exigeantes.

Atteindre des températures supérieures à 3 000 degrés F représente une percée pour l’industrie du chauffage électrique, car cela permet à certains des secteurs les plus difficiles à décarboner au monde d’utiliser pour la première fois des énergies renouvelables. Elle ouvre également la voie à un nouveau modèle d’utilisation de l’électricité à faible coût, au moment où elle est la moins chère et la plus propre.

« Chez Electrified Thermal, nous avons une perspective mondiale, mais aux États-Unis, au cours des cinq dernières années, nous avons vu émerger une opportunité incroyable en matière de prix de l’énergie, qui favorise l’utilisation flexible de l’électricité », précise M. Stack. « Dans le centre du pays, en particulier dans la ceinture éolienne, les prix de l’électricité sont souvent négatifs pendant plus de 20 % de l’année, et la tendance à la baisse des prix de l’électricité pendant les heures creuses est un phénomène national. Des technologies comme notre pile thermique Joule Hive nous permettront d’accéder à cette électricité propre et peu coûteuse et de rivaliser avec les combustibles fossiles en termes de prix pour les besoins de chauffage industriel, sans même tenir compte de l’impact positif sur le climat ».

Une nouvelle approche pour une ancienne technologie

Les projets de recherche de M. Stack ont rapidement changé lorsqu’il a rejoint le département des sciences et de l’ingénierie nucléaires du MIT en tant qu’étudiant en master en 2014.

« J’étais enthousiaste à l’idée de travailler sur la prochaine génération de réacteurs nucléaires, mais dès le premier jour, je me suis concentré sur la manière de chauffer des briques », explique-t-il. « Ce n’était pas ce à quoi je m’attendais, mais lorsque j’ai parlé à mon conseiller, [chercheur scientifique principal] Charles Forsberg, du stockage de l’énergie et des raisons pour lesquelles il était précieux non seulement pour l’énergie nucléaire, mais aussi pour l’ensemble de la transition énergétique, j’ai réalisé qu’il n’y avait pas de projet sur lequel je préférais travailler. »

Les briques réfractaires sont des briques d’argile omniprésentes et peu coûteuses utilisées depuis des millénaires dans les cheminées et les fours. En 2017, Forsberg et M. Stack ont cosigné un article montrant le potentiel des briques réfractaires pour stocker la chaleur provenant de ressources renouvelables, mais le système utilisait toujours des résistances électriques – comme les bobines métalliques des grille-pain et des radiateurs – ce qui limitait sa température de sortie.

Pour son travail de doctorat, M. Stack a collaboré avec Forsberg pour fabriquer des briques réfractaires conductrices d’électricité, remplaçant ainsi les résistances électriques pour que les briques produisent directement de la chaleur.

« Les résistances électriques sont les plus gros freins : Ils brûlent trop vite, ils tombent en panne, ils ne chauffent pas assez », ajoute M. Stack. « L’idée était d’éviter les radiateurs parce que les briques réfractaires sont des matériaux abondants et bon marché qui peuvent atteindre des températures semblables à celles des flammes et y rester pendant des jours. »

Les deux chercheurs ont pu créer des briques réfractaires conductrices en modifiant la composition chimique des briques réfractaires traditionnelles. Les briques d’Electrified Thermal sont similaires à 98 % aux briques réfractaires existantes et sont produites selon les mêmes procédés, ce qui permet aux fabricants existants de les fabriquer à peu de frais.

Vers la fin de son programme de doctorat, M. Stack s’est rendu compte que son invention pouvait être commercialisée. Il a commencé à suivre des cours à la Sloan School of Management du MIT et à passer du temps au Martin Trust Center for MIT Entrepreneurship. Il a également participé au programme StartMIT et au programme I-Corps, et a reçu le soutien du ministère américain de l’énergie et du Venture Mentoring Service (VMS) du MIT.

« Grâce à l’écosystème de Boston, à l’écosystème du MIT et à l’aide du ministère de l’énergie, nous avons pu lancer ce projet à partir du laboratoire du MIT », indique M. Stack. Nous avons créé une brique réfractaire conductrice d’électricité, que nous appelons « e-Brick ».

Electrified Thermal place ses réseaux de briques réfractaires dans des boîtes métalliques isolées disponibles dans le commerce. Bien que le système soit hautement configurable en fonction de l’utilisation finale, le système standard de l’entreprise peut collecter et libérer environ 5 mégawatts d’énergie et stocker environ 25 mégawatts-heure.

L’entreprise a démontré la capacité de son système à produire des températures élevées et l’a soumis à des cycles à son siège de Medford, dans le Massachusetts. Ce travail a permis à Electrified Thermal d’obtenir collectivement 40 millions de dollars de divers bureaux du ministère de l’énergie pour développer la technologie et travailler avec les fabricants.

« Comparé à d’autres systèmes de chauffage électrique, nous pouvons fonctionner plus chaudement et plus longtemps que n’importe quelle autre solution sur le marché », commente M. Stack. « Cela signifie que nous remplaçons les combustibles fossiles sur de nombreux sites industriels qui ne pourraient pas être décarbonisés autrement. »

S’adapter pour résoudre un problème mondial

Electrified Thermal collabore avec des centaines d’entreprises industrielles, notamment des fabricants de ciment, d’acier, de verre, de produits chimiques de base et de spécialité, d’aliments et de boissons, et de pâte à papier.

« Le défi du chauffage industriel touche tout le monde », détaille M. Stack. « Tous ont fondamentalement le même problème, à savoir obtenir leur chaleur d’une manière abordable et sans émission de carbone pour la transition énergétique. »

L’entreprise construit actuellement une version commerciale de son système à l’échelle du mégawatt, qui devrait être opérationnelle dans les sept prochains mois.

« L’année prochaine constituera un énorme point de référence pour l’industrie », ajoute M. Stack. « Nous utiliserons le système commercial pour présenter divers points de fonctionnement que les clients ont besoin de voir, et nous espérons faire fonctionner les systèmes sur les sites des clients d’ici la fin de l’année. Ce sera une grande réussite et une première pour le chauffage électrique, car aucune autre solution sur le marché ne peut produire des températures aussi élevées que les nôtres. »

En travaillant avec des fabricants pour produire ses briques réfractaires et ses enveloppes, Electrified Thermal espère pouvoir déployer ses systèmes rapidement et à faible coût dans une industrie massive.

« Dès le départ, nous avons conçu ces e-briques pour qu’elles soient rapidement extensibles et rapidement productibles dans le cadre des chaînes d’approvisionnement et des processus de fabrication existants », conclut M. Stack. « Si l’on veut décarboner l’industrie lourde, il n’y aura pas de moyen moins coûteux que de transformer l’électricité en chaleur à partir d’actifs électriques sans carbone. Nous cherchons à être la première technologie qui débloque ces capacités, avec des pourcentages à deux chiffres de l’énergie mondiale passant par notre système au fur et à mesure que nous accomplissons la transition énergétique. »

Légende illustration : Les briques réfractaires conductrices d’électricité pourraient aider les secteurs difficiles à décarboner à utiliser pour la première fois des énergies renouvelables. Crédit : MIT

Auteur : Zach Winn | MIT – Traduction Enerzine.com