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COLLECTION RECHERCHE DEVELOPPEMENT METIER Domaine Entretien Durée de stockage C

COLLECTION RECHERCHE DEVELOPPEMENT METIER Domaine Entretien Durée de stockage Coût Densité énergétique Durée de vie Dans la zone AB, l'énergie apportée au corps (solide) est stockée sous forme sensible : il se réchauffe. En zone BC, il fusionne ; l'énergie est stockée sous forme latente, sa température est constante. En zone CD, le corps (liquide) se réchauffe, l'énergie est stockée en sensible. En DE, le corps s'évapore, l'énergie est stockée en latent. Après E, le corps (gazeux) recommence à chauffer. On constate que la fusion et la vaporisation se produisent à température constante, alors que l'on apporte tout de même de l'énergie au corps. Cette énergie est stockée sous forme latente. Ces deux réactions sont dites endothermiques (elles absorbent de l'énergie). Pour la récupérer, il faut refaire passer le corps chauffé dans un état inférieur. La condensation (gaz vers liquide) ou la solidification sont des phénomènes exothermiques (ils rejettent de la chaleur). Schéma explicatif Stockage d’énergie dans le bâtiment Stockage par matériau à changement de phase (MCP) Th07 Caractéristiques Exemple d’un bloc de glace à -20°C, à pression atmosphérique Chaleur sensible (température augmente) Chaleur latente (température constante) 125-175 € 50 - 150 kWh/m3 30 - 50 kWh/m3 COLLECTION RECHERCHE DEVELOPPEMENT METIER Variantes Description Par définition, la chaleur latente est l’énergie associée à un changement d’état. Les matériaux utilisés sont appelés Matériaux à Changement de Phase (MCP). Ces matériaux sont souvent utilisés dans les matériaux de construction pour tempérer les bâtiments (utilisation dite passive). L’utilisation de MCP pour stocker de la chaleur dans un réservoir est une autre possibilité. On parle d’utilisation active. Les MCP ont pour particularité de pouvoir stocker de l’énergie sous forme de chaleur latente. Ils stockent de l’énergie en changeant de phase solide à liquide (il fond) puis ils restituent la chaleur par le changement de phase liquide à solide (il gèle). Les MCP reposent sur l’application d’un principe physique simple. Au-delà d’une certaine température caractéristique de chaque matériau, ils se liquéfient en absorbant la chaleur de l’atmosphère ambiante et les restituent lorsque la température baisse. Cette propriété du matériau est liée à son importante énergie de fusion par unité de volume, plus celle-ci sera grande plus les propriétés de stockage/restitution de la chaleur seront intéressantes. L'énergie stockée dépend alors de la chaleur latente et de la quantité du matériau de stockage qui change d'état. Contrairement au stockage sensible, ce type de stockage peut être efficace pour des différences de températures très faibles. Les MCP permettent de stoker en moyenne 10 fois plus d’énergie par unité de volume que les systèmes de stockage de chaleur sensible. Le rapport "énergie stockée" au "poids et/ou volume de stockage" est donc plus important. Prenons l’exemple de l’eau : ‒ La chaleur massique thermique de l’eau est de 4,19 kJ/kg.K, ce qui veut dire qu’il faut 4.19 kJ pour que la température d’un litre d’eau soit modifiée de 1K. Ainsi en stockant 1 litre d’eau à 90°C pour de l’eau initialement à 15°C, il faut 315,25 kJ ‒ La chaleur latente de vaporisation de l’eau est de 2257 kJ/kg à 100°C, ce qui signifie que pour évaporer 1 litre d’eau il faut 2257 kJ. Ainsi si on arrive à stocker cette chaleur de vaporisation, on a stocké 7 fois plus d’énergie au travers de la même quantité de fluide. On peut classer les MCP selon leur nature chimique en 3 catégories : les matériaux organiques (acides gras et paraffines), inorganiques (sels hydratés) ou eutectique (composé organique-organique, organique- inorganique, inorganique-inorganique). Le premier critère de choix d’un MCP concerne la température de changement d’état. Elle doit être conforme à l’utilisation du procédé. Le choix du matériau le plus approprié est également fondé sur un certains nombres de facteurs incluant, le prix, la chaleur latente et la conductivité thermique tant sur les phases liquides que solides. Un des obstacles techniques réside dans la faible conductivité thermique des MCP qui limite les transferts thermiques et ainsi l’efficacité du système de stockage. Les principales applications des MCP sont l’isolation des bâtiments, la climatisation passive, le stockage d’énergie thermique pour une production de chaud ou de froid. Pour le stockage de l’énergie, c’est le passage solide-liquide qui offre le plus d’applications. D’autres changements de phase sont néanmoins théoriquement envisageables (solide-solide, solide-gaz, liquide-gaz). La plupart des transitions liquide-gaz et solide-gaz impliques des volumes importants ou des hautes pressions pour stocker le matériau à son état gazeux. De plus, ces transitions demandent des températures (et donc de l’énergie) plus importantes que dans le cas des transitions solide-liquide. Quant aux transitions solide-solide, elles sont généralement très lentes et ont de faible énergie de transformation. COLLECTION RECHERCHE DEVELOPPEMENT METIER Il existe différents procédés de stockage d’énergie par chaleur latente. Dans le domaine du froid et du chaud, on rencontre essentiellement les technologies suivantes : – Bacs à glace : C’est un système qui est actuellement très répandu à cause de sa simplicité et des nombreux retours d’expérience. Il s’agit simplement d’une cuve contenant de l’eau en contact direct avec une batterie où circule un liquide froid qui peut être de l’eau glycolée ou le fluide frigorigène lui-même. Autour de ce circuit va se former de la glace remplissant complètement ou partiellement la cuve. Le déstockage s’effectue soit par pompage de l’eau à 0 °C mélangée à la glace (fusion externe) soit par circulation d’un liquide chaud (fusion interne) dans la batterie. – MCP encapsulés : Le principe de ce stockage est d’utiliser un MCP confiné dans des récipients étanches de petites dimensions (quelques cm3 à quelques litres). Il suffit de les refroidir pour cristalliser leur contenu et de les mettre en contact avec la charge chaude pour le déstockage. Essentiellement, trois formes de capsules sont disponibles : des sphères, des bâtonnets et des plaques. Un fluide caloporteur procède à un échange d’énergie au contact des capsules. Ce type de stockage, permet l’utilisation des différents types de MCP sans exception. En effet, l’utilisation des eutectiques par exemple, s’avère impossible ou très difficile dans les systèmes tels que le bac à glace car dans de gros volumes, nous rencontrons facilement les phénomènes de ségrégation (séparation des composants de la solution). – Fluides frigoporteurs diphasiques : les frigoporteurs diphasiques solide-liquide les plus étudiés ces dernières années sont les coulis de glace formés de cristaux de glace en suspension dans une solution aqueuse. Ces coulis sont généralement produits sur des parois réfrigérées raclées ou brossées permettant leur détachement de la paroi. Les limites de ce procédé résident, pour l’instant, dans le coût élevé du dispositif de production et dans une fiabilité réduite. Il existe différents types de matériaux a changement de phase. ‒ Les solutions aqueuses de sels et d’eau sont utilisées a basses températures et sont relativement bon marche. Cependant, les phénomènes de surfusion et de corrosion posent problèmes. ‒ Les matériaux issus du carbone (alcanes, paraffines, polyols, polymères). Ces matériaux sont les plus chers et les plus dangereux a cause de leur inflammabilité. Il y a également des problèmes de surfusion pour certains d’entre eux. La température de fusion se situe entre 60°C et 80°C. ‒ Les matériaux inorganiques (sans carbone) tels que les sels (chlorures, sulfates, nitrates …) et les mélanges binaires ou ternaires. Ils ont de fortes capacités de stockages pour des prix peu élevés. Néanmoins, ils ont tendance a corroder leurs cuves de rétention ce qui peut être un problème lorsqu’ils sont intégrés a des réseaux d’ECS. La température de fusion se situe a environ 115°C. ‒ Les métaux. Ils peuvent être utilises a hautes températures, ils sont lourds, chers et présentent une faible capacité thermique. Leurs fortes conductivités thermiques leur permettent de bonnes performances lorsque les puissances échangées sont importantes. Offre industrielle / Exemple de réalisation L’entreprise Cristopia a développé des cuves de matériaux à changement de phase, qui peuvent stocker un matériau à une température comprise entre -33°C et +27°C. En changeant la composition du matériau ou les proportions, cette température peut être choisie selon les besoins (rafraichissement, froid industriel). Stockage de froid : l’entreprise Cristopia [1] COLLECTION RECHERCHE DEVELOPPEMENT METIER Le stockage est composé d’une cuve remplie de nodules et d’un fluide caloporteur. Environ 60 % du volume de la cuve est occupé par les nodules et les 40 % restants par le fluide caloporteur. Le nombre de nodules dans un système détermine à la fois l'énergie totale stockée dans le stockage mais aussi les puissances d'échange entre les nodules et le fluide caloporteur en mode de charge et de décharge. Le fluide caloporteur est composé d'eau et de glycol. La concentration varie selon la température de changement de phase des nodules. Les nodules sont des sphères remplies avec des matériaux à changement de phase (solide-liquide). Les dimensions de la cuve sont calculées en fonction du site et de la capacité du stockage. Depuis 2011, l’installation comporte une PAC (Puissance froid 61 kW) avec un stockage froid CRISTOPIA présentant 2 cuves de 2 m3 contenant près de 2500 nodules. Le principe consiste à emmagasiner de l’énergie frigorifique lorsque les besoins des bâtiments sont faibles (la nuit). La uploads/s3/ th07-stockage-materiau-changement-phase.pdf