Stockage thermique par chaleur latente

La demande énergétique humaine est en hausse continue, et la plupart des ressources énergétiques renouvelables sont intermittentes (énergie éolienne ou énergie solaire par exemple). La croissance de ces sources à intensité variable dans les réseaux de distribution d’énergie menace l’équilibre offre/demande. Pour cette raison, les communautés scientifique et industrielle font des efforts conséquents pour trouver des stratégies qui peuvent améliorer l’efficacité énergétique mondiale .

Le stockage de l’énergie est l’une des solutions pour cette situation. Il s’agit d’optimiser les ressources énergétiques ou d’en favoriser l’accès, en permettant principalement d’ajuster la « production » à la « consommation » d’énergie en limitant les pertes.

Le principe du stockage de l’énergie consiste à préserver une quantité d’énergie produite à un moment donné pour une utilisation ultérieure et qui autrement serait parfois irrémédiablement perdue. Les formes principales de stockage de l’énergie sont les suivantes :
– Mécanique (Stys, Z.S. ,1980 ; Yot, P.G. et al., 2016) : cette catégorie inclut les volants d’inertie, les accumulateurs hydrauliques, et généralement tout type de stockage d’énergie potentielle ou cinétique.
– Electrochimique (Kordesch, K. , 1980 ; Li, X., et al. 2016) : ce type de stockage consiste à stocker l’énergie sous forme électrochimique dans les batteries. Les batteries sont destinées à des applications portables et quotidiennes.
– Electromagnétique (Haririe, A. et al., 1973 ; Zhao, J.M. et al., 2015) : cette catégorie consiste à créer, grâce à l’électricité, un champ magnétique dans une bobine. L’électricité peut ensuite être récupérée dans un laps de temps très court.
– Thermique (Paksoy, H.O., 2007) : de nombreuses solutions de stockage de froid (glace, liquides cryogéniques) et de chaud (sels fondus, accumulateurs de vapeur, graviers ou capsules à changement de phase…) existent et permettent de stocker l’énergie sous forme thermique (chaleur latente, chaleur sensible, thermochimique) avant de la restituer, le plus souvent directement sous forme de chaleur ou de froid.

Le mémoire se concentre sur la dernière forme de stockage ci-haut mentionnée : le stockage de l’énergie sous forme thermique, en se limitant au cas latent.

Stockage de l’énergie sous forme thermique 

En général, le stockage d’énergie thermique consiste à emmagasiner l’énergie thermique pendant une période où elle est abondante ou moins coûteuse pour l’utiliser pendant une période durant laquelle elle est indisponible ou plus chère.

Où ܿ(ܶ) est la capacité calorifique massique du corps, qui peut dépendre de la température (voire de la pression).
– Stockage thermique par chaleur latente (Dumas J.P., 2002) : Pour ce type de stockage, l’énergie est échangée à température constante lors du changement de phase d’un corps pur. L’énergie Q mise en jeu dans ce cas est exprimée par le produit de la masse m du corps et sa chaleur latente massique L, Q = mL

Ce type de stockage thermique est décrit en détail dans la section ci-après.
– Stockage thermochimique (Mugnier, D., et Goetz, V., 2001 ; Istria, S. et al., 1996 ; Bales, C. et al., 2008) : Ce dernier type de stockage thermique utilise une réaction chimique réversible d’un matériau : apport de la chaleur dans un sens (endothermique) et dégagement de la chaleur dans le sens opposé (exothermique).

Ces types de stockage se différencient de part leur densité énergétique mais aussi de part leur maturité technologique. Le stockage sensible est la technologie la plus développée mais est celle ayant la densité énergétique la moins élevée. Le stockage thermochimique a la meilleure densité énergétique mais reste encore au stade de la recherche et développement. Le stockage latent se situe entre les deux avec une densité énergétique intéressante et une maturité technologique déjà avérée dans certains domaines comme celui du froid et du conditionnement d’air.

Après ce bref rappel des types de stockage thermique, la section suivante est consacrée au stockage thermique par chaleur latente. Elle rappelle le principe de stockage par chaleur latente et ses avantages, ainsi que les critères de choix d’un MCP.

Stockage par chaleur latente 

Le stockage thermique par chaleur latente, tel que spécifié antérieurement, est basé sur l’énergie (chaleur) mise en jeu lorsqu’un matériau change de phase. Les transformations liquide-solide sont les plus communément utilisées en ingénierie (Viskanta, R. et al., 1983 ; Benmansour, A. et Hamdan, M.A. , 2001). Mais d’autres transformations donnent des résultats intéressants, comme par exemple les transformations solide-solide (Font, J. et al., 1986) et liquide-gaz. Les transformations où intervient le phénomène de croissance dendritique (objet de l’étude) sont les transformations gaz-solide et liquide-solide. Ce projet spécifique de doctorat est limité aux transformations liquide-solide que l’on retrouve avec les MCP.

Critères de choix d’un MCP 

Le premier critère de choix d’un MCP est bien sa température d’équilibre de changement de phase puisqu’elle doit être adaptée au procédé. Parmi tous les produits ayant une température d’équilibre de fusion acceptable, pour que le stockage soit le plus efficace possible, il est plus judicieux énergétiquement de choisir celui qui a la plus grande chaleur latente. La chaleur latente est alors le deuxième critère de choix d’un MCP. D’autres propriétés très importantes dans le choix des MCP sont encore à considérer :

Bonne conduction thermique : pour être en mesure d’obtenir des cinétiques de stockage adaptées;
– Abondance et faible coût (pour des raisons économiques) ;
– Une grande masse volumique : un corps plus dense demande un volume de stockage plus restreint ;
– Faible variation de masse volumique au changement de phase : pour limiter les contraintes physiques sur les réservoirs de stockage ;
– Peu ou pas de surfusion : ce retard du changement de phase liquide-solide compromet la viabilité des installations, sujet traité au chapitre (II) ci-après ;
– Non dangereux et non polluant ;
– Stabilité dans le temps ou au cours de cycles fusion-cristallisation : pour une durée de vie du MCP la plus longue possible ;
– Compatible avec les matériaux en contact (par exemple : non corrosif).