Stockage de la chaleur et du froid 1

Le stockage de chaleur sensible est utilisé sur de grandes gammes de température et selon plusieurs types de configuration. Il est ainsi applicable aussi bien dans l’habitat que dans l’industrie, Les matériaux employés qui peuvent être liquides ou solides sont décrits. Les notions nécessaires au dimensionnement des systèmes sont présentées, accompagnées de leur efficacité et de leur modélisation.

Stocker efficacement la chaleur basse enthalpie permet d’augmenter l’efficacité du solaire thermique. Elle peut être stockée dans des réservoirs d’eau intégrés associés aux panneaux solaires. Le stockage du chaud ou du froid dans le sous sol (aquifères, roche, fondations des bâtiments) permettrait d’atteindre une climatisation intersaisonnière.

Le stockage de chaleur haute température peut contribuer au lissage de l’électricité renouvelable intermittente sous forme de CAES adiabatique ou par batterie de Carnot. Les concepts et principes techniques sont exposés et évalués à travers les résultats de plusieurs projets de recherche, incluant expérimentations et évaluations économiques.

Ce chapitre permet d’avoir une vision claire de l’offre existante des différents matériaux à changement de phase. Il propose d’abord une classification de ces matériaux en les distinguant selon leur nature chimique : organique ou non organique, ainsi qu’une classification selon les caractéristiques souhaitées pour une application particulière. Un aperçu des matériaux à changement de phase disponibles dans le commerce est proposé avant de donner des informations sur la manière de mener l’évaluation technico économique d’un projet industriel incluant de tels matériaux.

Ce chapitre décrit diverses méthodes destinées à faciliter l’utilisation des matériaux à changement de phase dans les applications pratiques. Deux grandes familles de techniques sont principalement décrites : l’encapsulation d’une petite quantité de matériaux à changement de phase ou bien l’infiltration de celui-ci dans un support microporeux. La première technique consiste à créer une fine enveloppe globalement sphérique autour du MCP: cette sorte de coquille peut être conçue dans un matériau organique ou inorganique. La seconde technique consiste à insérer le MCP dans une micro structure: bien que les supports poreux en carbone aient été largement étudiés, d’autres solutions sont présentées. Ces diverses techniques sont comparées avec un intérêt particulier à l’évolution de la conductivité thermique du matériau obtenu ainsi qu’aux phénomènes de sous refroidissement.

Ce chapitre se concentre sur les systèmes de stockage d’énergie thermique par chaleur latente. En plus de leur densité énergétique élevée, ces systèmes présentent l’intérêt de stocker la chaleur à température quasi constante. La classification des systèmes de stockage est présentée selon que le fluide caloporteur sert de matériaux de stockage, ou bien que le fluide caloporteur est différent du matériau de stockage. Dans ce cas, des fluides tels que l’eau, des sels fondus ou des huiles thermiques sont fréquemment utilisés. Le cas particulier du stockage de froid est également présenté ainsi que l’ensemble des technologies associées. Le chapitre aborde par ailleurs l’usage du stockage thermique par matériaux à changement de phase pour le bâtiment et les applications industrielles. Le cas des centrales solaires à concentration est également détaillé.

Avec un coût équivalent à 20 % de la consommation électrique mondiale, et des fluides frigorigènes fortement réglementés, l’industrie du froid doit faire face à plusieurs défis environnementaux tout en assurant son rôle fondamental pour divers secteurs (alimentaire, pharmaceutique, climatisation…). L’usage de suspensions de matériaux à changement de phase (MCP) en solution aqueuse, appelées « coulis », permet de stocker et transporter des quantités de froid par chaleur latente, un atout pour le dimensionnement et le rendement des installations. Parmi ces MCP, on trouve les hydrates (de sels, de gaz) dont certains possèdent les plus fortes chaleurs latentes sur la gamme 0-10 °C. Ce chapitre présente les propriétés fondamentales des hydrates, puis une revue des hydrates utilisés comme matériaux de stockage et de transport de froid. Les critères thermodynamiques, rhéologiques, thermiques, cinétiques, énergétiques et environnementaux d’utilisation des hydrates sont ensuite détaillés. Enfin, des exemples d’application des hydrates en réfrigération et en climatisation sont décrites.

Les centrales solaires thermodynamiques avec stockage de chaleur constituent des systèmes de production d’électricité d’origine renouvelable à fort intérêt. Le stockage permet de lisser les fluctuations de la ressource solaire, d’opérer le décalage temporel de la production et d’augmenter le taux de charge de la centrale. Ce chapitre présente les différents systèmes de stockage qui sont actuellement utilisés ou qui font l’objet de travaux de recherche et de développement. Sont abordées les propriétés des matériaux de stockage et des fluides de transfert, ainsi que les performances énergétiques, environnementales et économiques.