Stockage de chaleur
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Introduction
Le stockage de la chaleur a toujours été un problème important. Nous sommes en présence d'un déphasage entre les apports de chaleur et les besoins (jour/nuit, été/hiver).
A l'heure actuelle on dénombre trois grandes familles de système de stockage de chaleur :
- Stockage par chaleur latente
- Stockage par chaleur sensible (solide ou liquide)
- Stockage thermochimique
Stockage par chaleur sensible
Il correspond à la chaleur absorbée suite à une élévation de la température environnante sans entraîner de changement de phase du matériau de stockage.
Q = m Cp (Tenv - Tmat)
Q = Chaleur absorbée (kJ)
m = Masse du matériau de stockage (kg)
Cp = Capacité calorifique du matériau (kJ/(kg.K))"
Tenv = Température environnante (K)
Tmat = Température du matériau (K)
La chaleur est dépendante de la chaleur spécifique et de la masse du matériau de stockage mis en œuvre.
On distingue plusieurs types d’installations : Les déphasages pour ce stockage sont soit de courte, soit inter saisonnier
A courte durée (stockage le jour pour une utilisation la nuit)
Chauffe eau solaire
On retrouve dans la catégorie des installations à courte durée, les chauffe-eau solaires. Ils en existent de toutes sortes : monobloc, à éléments séparés avec ou sans circulation forcée.
Les monoblocs représentent la catégorie standard, qui est autonome, de performances moyennes et mal intégré au bâti ; puisque le ballon est collé au-dessus du panneau sur le toit ce qui entraîne des pertes thermiques importantes et une mauvaise stratification.
Ensuite on trouve ceux à éléments séparés, comprenant ou non un système de régulation : le capteur est situé à l’extérieur alors que le ballon de stockage est à l’abri dans l’habitation. Soit le système est autorégulant ce qui contraint à avoir le ballon d’eau chaude situé au dessus du capteur pour bénéficier de l’effet de thermosiphon, soit il est à circulation forcée et donc comporte un circulateur ainsi qu’un système de régulation. Leurs mises en œuvre sont délicates selon l’installation mais jouent un rôle important sur leurs performances.
Critère de dimensionnement :
- Surface de capteur à volume de stockage
- Fluide caloporteur : glycol pour résister au gel en hiver
Lit de galets souterrains
Une autre installation couple des panneaux solaires à un stockage thermique souterrain placé sous les bâtiments bénéficiaires.
Il s’agit de système intégré au bâtiment qui utilise comme fluide caloporteur de l’air chauffé soit par un capteur solaire à air, soit par l’intermédiaire d’une véranda. Ainsi selon les saisons, l’air sera utilisé directement pour chauffer l’habitation sinon il sera injecté au sein d’un milieu poreux composé de lit de cailloux situé dans le plancher afin d’assurer un volant thermique jour/nuit. Les précautions à prendre sont :
- l’équilibrage (des températures) en assurant une distribution de l’air …
- la distance entre le capteur et le stockage
- l’importance des pertes de charge dans le stockage
Critère de dimensionnement et précautions :
- Proportion volume de stockage par rapport à la surface des capteurs solaires entre 0,3 à 0,4 kWh/m3. °C pour une belle journée en mi-saison.
- Majoration de la longueur de stockage de 20 à 30 % pour améliorer le rendement des capteurs
- Evaluation très précise de la perte de charge dans le stockage pour dimensionner le ventilateur
- Rechercher le débit optimal qui dépend de la granulométrie des cailloux et de la longueur du stockage
Inter saisonnier (stockage l’été pour une utilisation l’hiver)
Il s’agit du même procédé qu’en courte durée mais les volumes mis en œuvre pour le stockage thermique souterrain sont plus conséquents.
Le cycle périodique comporte :
- une phase de décharge en hiver, où la chaleur est prélevée du stock souterrain et elle est utilisée pour le chauffage par l’intermédiaire d’une pompe à chaleur
- une phase de charge pendant laquelle on utilise la température du stock pour la climatisation, permettant ainsi de le recharger.
La chaleur, provenant soit de capteur solaire soit de rejet de chaleur d’exploitations industrielles, est injectée à partir de sondes géothermiques situées au centre du stockage puis prélever par les extrémités puisqu’il y a des phénomènes de diffusion vers le milieu extérieur. Le problème majeur réside déjà dans les coûts à cause de la taille des volumes mis en œuvre ainsi que dans le procédé de stockage puisque pour éviter le risque de fuites ou pertes, il faudrait pouvoir isoler le réservoir.
Les besoins sont de 5 à 10 m3 de terrain par m² de capteur solaire, soit des installations allant jusqu’à 12000m3. Fichier:Stockageintersaisonnier.jpg Stockage de chaleur souterrain utilisé pour le stockage de l’énergie solaire
On retrouve plusieurs modes de stockage de chaleur :
- eau chaude (risque de corrosion)
- cailloux eau
- aquifère (en développement)
Stockage par chaleur latente
Il est utilisé actuellement pour le stockage de courte durée, lorsque l’on recherche une grande capacité de stockage d’énergie pour une différence de température relativement faible.
Fonctionnement
Sous l’effet d’un apport de chaleur, tous les matériaux change d’état. L’énergie stockée (Q) est de la forme suivante :
Q = m. Lmat
Lmat = chaleur latente à une température donnée
m = masse totale du corps
Le choix du corps à utiliser dépend de la gamme de température d’utilisation, de la quantité de chaleur à stocker et de la place disponible pour le volume de stockage. Pour permettre au corps de garder son nouvel état les parois de ce volume de stockage doivent être isolées. Le tableau ci-dessous indique les valeurs de température de changement de phase et la quantité d’énergie stockable pour quelques matériaux donnés.
| Caractéristiques des matériaux | |||
| Matériaux | Changement d’état | Température de changement de phase (°C) | Chaleur latente de changement de phase (kJ/kg) |
|---|---|---|---|
| Eau | Solide-liquide | 0 | 335 |
| Paraffine (Eicosan) | Solide-liquide | 36,6 | 243 |
| Hydrates de sels (Na2SO410H2O) | Solide-liquide | 32 | 241 |
| Mélanges de sels (48NaCl/52MgCl2) | Solide-liquide | 450 | 432 |
Application
L’utilisation de matériaux à changement de phases (MCP) dans le bâtiment permet une augmentation de l’inertie et ainsi améliore le confort d’été. La journée, la chaleur ambiante du bâtiment fournit la chaleur nécessaire pour modifier l’état des cellules contenues dans les MCP. Celles-ci récupèrent donc les calories de l’air ambiant et permettent de limiter les températures maxima (de l’ordre de 3 à 5°C) Associés à une ventilation nocturne accrue, les cellules peuvent retrouver leur état initial en restituant la chaleur à l’air ambiant. Les problèmes principaux des MCP sont notamment le prix d’un panneau (50€/m2) et son comportement face au feu.
La centrale solaire électrique ANDASOL (plateau de Guadix, province de grenade, Espagne) utilise des panneaux solaires thermiques pour évaporer un fluide et générer de l’électricité via des turbines. Dans un second temps, la chaleur excédentaire est stockée par chaleur latente dans une citerne isolée, afin de l’utiliser la nuit ou encore en période de faible ensoleillement. Cette méthode permet de limiter les fluctuations de chaleur communes à l’utilisation du solaire.
Stockage thermochimique
Cette technologie est à l’heure actuelle encore en développement, toutefois il est intéressant de connaître ses principales caractéristiques. L’utilisation principale de ce système reste le stockage de l’énergie solaire.
Fonctionnement
- Création du stock (été)
- Sous l’effet de la chaleur, on sépare deux composés chimiques par un phénomène de désorption : un sous forme vapeur et un sous forme liquide solide sont ainsi obtenus.
- La vapeur est condensée par un échangeur.
- Les deux composés sont ainsi stockés séparément.
- Utilisation du stock (hiver sans source de chaleur)
- Dans un premier temps il faut évaporer le liquide stocké (évaporation à faible température)
- Le mélange des deux produits par absorption conduit à une réaction exothermique, Cette chaleur peut ensuite être utilisée pour une application quelconque.
- Il faut ensuite réintroduire le mélange dans le désorbeur en attente d’une réutilisation.
Avantages/Inconvénients
- Le volume occupé par ce type de stockage est nettement moins important que pour des technologies « classiques » (30 % de moins qu’un réservoir à eau).
- L’énergie stockée n’est pas influencé par la température et donc le réservoir ne nécessite pas d’isolation thermique. Ce qui n’engendre aussi aucune perte thermique durant le changement de saison.
Toutefois certains problèmes restent à supprimer :
- Les produits utilisés actuellement pour le stockage sont toxiques
- Toujours au stade de la recherche, ce procédé doit encore être amélioré pour une utilisation courante
