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ÉTUDE ET CONCEPTION D’UN ÉCHANGEUR THERMIQUE POUR UN SYSTÈME HYBRIDE DE TYPE ÉOLIEN-DIESEL-STOCKAGE D’AIR

COMPRIMÉ (JEDSAC) PHASE 1 : RECHERCHE DU MODÈLE

Rapport interne

Laboratoire de Recherche en Énergie Éolienne LREE-04 – Octobre 2008

Jean-Sébastien SAVARD

Étudiant au baccalauréat en génie mécanique, Université du Québec à Rimouski, 300, allée des ursulines, Rimouski (Québec), Canada, G5L 3A1, jean-sebastien.savard@uqar.qc.ca

Hussein IBRAHIM

Laboratoire de Recherche en Énergie Éolienne (LREE), Université du Québec à Rimouski, 300, allée des ursulines, Rimouski (Québec), Canada, G5L 3A1, Tél.: (418)-723-1986#1948,

hussein.ibrahim@uqar.qc.ca

Adrian ILINCA

Laboratoire de Recherche en Énergie Éolienne (LREE), Université du Québec à Rimouski, 300 allée des Ursulines, Rimouski (Québec), Canada, G5L 3A1, Tél. : (418)-723-1986 #1460, adrian_ilinca@uqar.qc.ca

2

TABLE DES MATIÈRES

TABLE DES MATIÈRES .............................................................................................................................. 2

LISTE DES FIGURES................................................................................................................................... 6

LISTE DES TABLEAUX............................................................................................................................... 8

ABRÉVIATIONS ........................................................................................................................................... 9

CHAPITRE 1 : INTRODUCTION................................................................................................................ 10

1.1 GÉNÉRALITÉS ...................................................................................................................................... 10 1.2 PROBLÉMATIQUE.................................................................................................................................. 12 1.3 OBJECTIFS .......................................................................................................................................... 13

CHAPITRE 2 : CONFIGURATIONS DU SYSTÈME .................................................................................. 14

2.1 GÉNÉRALITÉS ...................................................................................................................................... 14 2.2 CHARGEMENT ...................................................................................................................................... 15

2.2.1 Chargement direct ..................................................................................................................................15

2.2.2 Chargement indirect ...............................................................................................................................16

2.2.3 Chargement détourné ............................................................................................................................16

2.2.4 Chargement avec une pompe à chaleur .............................................................................................17

2.2.5 Chargement avec dissipation ................................................................................................................17

2.2.6 Chargement avec stockage de chaleur et dissipation .......................................................................18

2.2.7 Chargement avec une machine de Carnot .........................................................................................18

2.3 DÉCHARGEMENT.................................................................................................................................. 19 2.3.1 Déchargement direct en série ...............................................................................................................20

2.3.2 Déchargement direct en parallèle.........................................................................................................20

2.3.3 Déchargement avec récupération de la chaleur des gaz d’échappement dans le réservoir de

stockage thermique ..........................................................................................................................................21

2.3.4 MCP inclus dans le réservoir d’air comprimé .....................................................................................21

2.3.5 Déchargement indirect avec un circuit caloporteur............................................................................22

2.3.6 Déchargement avec deux circuits caloporteurs .................................................................................22

2.3.7 Déchargement avec pompe à chaleur .................................................................................................23

2.3.8 Déchargement sans réservoir de stockage de chaleur .....................................................................24

2.4 CONFIGURATIONS MIXTES..................................................................................................................... 24 2.4.1 Configuration mixte 1 : Direct et série ..................................................................................................25

2.4.2 Configuration mixte 2 : Direct et parallèle ...........................................................................................25

3

2.4.3 Configuration mixte 3 : Direct avec récupération de gaz dans le réservoir de stockage de

chaleur ................................................................................................................................................................26

2.4.4 Configuration mixte 4 : Réservoir d’air comprimé et de MCP jumelés............................................26

2.4.5 Configuration mixte 5 : Indirecte et série à deux circuits caloporteurs............................................27

2.4.6 Configuration mixte 6 : Indirecte et série avec un circuit caloporteur .............................................27

2.4.7 Configuration mixte 7 : Indirecte et parallèle à deux circuits caloporteurs .....................................28

2.4.8 Configuration mixte 8 : Indirecte et parallèle à un circuit caloporteur .............................................28

2.4.9 Configuration mixte 9 : Pompe à chaleur ............................................................................................29

2.4.10 Configuration mixte 10 : Pompe à chaleur avec déchargement direct .........................................30

2.4.11 Configuration mixte 11 : Dissipation de la chaleur...........................................................................30

2.5 CHOIX D’UNE CONFIGURATION .............................................................................................................. 31 2.5.1 Critères de choix .....................................................................................................................................31

2.5.2 Évaluation et justifications des critères ................................................................................................32

2.5.3 Matrice de décision globale ...................................................................................................................41

CHAPITRE 3 : STOCKAGE DE CHALEUR .............................................................................................. 42

3.1 GÉNÉRALITÉS ...................................................................................................................................... 42 3.2 HISTORIQUE ........................................................................................................................................ 43

3.2.1 Dr. Telkes et la maison Dover ...............................................................................................................44

3.2.2 Solar One .................................................................................................................................................45

3.3 MÉTHODES DE STOCKAGE DE CHALEUR................................................................................................. 46 3.4 STOCKAGE PAR CHALEUR SENSIBLE ...................................................................................................... 46

3.4.1 Généralités ...............................................................................................................................................46

3.4.2 Matériaux liquides ...................................................................................................................................47

3.4.2.1 Eau.......................................................................................................................................................47 3.4.2.2 Huiles ...................................................................................................................................................48

3.4.3 Matériaux solides ....................................................................................................................................49

3.4.3.1 Roches, béton et briques .....................................................................................................................49 3.4.3.2 Métaux .................................................................................................................................................49

3.5 STOCKAGE PAR CHALEUR LATENTE ....................................................................................................... 50 3.5.1 Généralités ...............................................................................................................................................50

3.5.1.1 MCP solide-solide ................................................................................................................................52 3.5.1.2 MCP liquide-gazeux .............................................................................................................................52 3.5.1.3 MCP solide-liquide ...............................................................................................................................52

3.5.2 MCP solide-liquide ..................................................................................................................................52

3.5.2.1 MCP Organiques..................................................................................................................................53 3.5.2.2 MCP Inorganiques................................................................................................................................54 3.5.2.3 Glace....................................................................................................................................................55

3.5.3 Échangeurs de chaleur ..........................................................................................................................56

4

3.5.3.1 Capsules sphériques............................................................................................................................56 3.5.3.2 Cylindres ..............................................................................................................................................57 3.5.3.3 Plaques planes.....................................................................................................................................58

3.6 CHOIX D’UN MATÉRIAU DE STOCKAGE .................................................................................................... 58 3.6.1 Généralités ...............................................................................................................................................58

3.6.2 Critères d’évaluation ...............................................................................................................................60

3.6.2.1 Efficacité...............................................................................................................................................60 3.6.2.2 Coût......................................................................................................................................................61 3.6.2.3 Capacité calorifique..............................................................................................................................61 3.6.2.4 Autodécharge.......................................................................................................................................61 3.6.2.5 Vitesse de restitution ............................................................................................................................62 3.6.2.6 Encombrement.....................................................................................................................................62 3.6.2.7 Sécurité et impacts sur l’environnement...............................................................................................63

3.6.3 Comparaison des matériaux de stockage sous forme sensible.......................................................63

3.6.5 Matrice de décision globale ...................................................................................................................69

3.7 DIFFICULTÉS........................................................................................................................................ 70 3.8 HYBRIDATION....................................................................................................................................... 71

CHAPITRE 4 : ÉCHANGEURS DE CHALEUR ......................................................................................... 72

4.1 GÉNÉRALITÉS ...................................................................................................................................... 72 4.2 DESCRIPTION DES ÉCHANGEURS DE CHALEUR SELON LA CLASSIFICATION PAR TYPE DE CONSTRUCTION ... 74

4.2.1 Échangeurs de chaleur tubulaires ........................................................................................................74

4.2.1.1 Échangeurs à doubles tubes................................................................................................................74 4.2.1.2 Échangeurs à tubes et calandre...........................................................................................................75 4.2.1.3 Échangeurs à serpentin et tubes..........................................................................................................76

4.2.2 Échangeurs de chaleur à plaques ........................................................................................................78

4.2.2.1 Échangeurs à joints étanches ..............................................................................................................78 4.2.2.2 Échangeurs à plaques soudées ...........................................................................................................81 4.2.2.3 Échangeurs à plaques hélicoïdales......................................................................................................82 4.2.2.4 Échangeurs à lamelles .........................................................................................................................83 4.2.2.5 Échangeurs à circuits imprimés ...........................................................................................................83 4.2.2.6 Échangeurs à serpentin à plaque externe............................................................................................84

4.2.3 Échangeurs de chaleur à surface augmentée ....................................................................................85

4.2.3.1 Échangeurs à plaques avec ailettes.....................................................................................................85 4.2.3.2 Échangeurs tubulaires avec ailettes.....................................................................................................86

4.2.4 Échangeurs de chaleur régénératifs rotatifs .......................................................................................89

4.3 FABRICANTS ........................................................................................................................................ 91

CHAPITRE 5 : CONCLUSION ET PERSPECTIVES................................................................................. 92

BIBLIOGRAPHIE........................................................................................................................................ 93

5

ANNEXE A : SOUS-MATRICES DU CRITÈRE DE SIMPLICITÉ.............................................................. 97

ANNEXE B : PROPRIÉTÉS THERMOPHYSIQUES DE MATÉRIAUX..................................................... 99

ANNEXE C : MCP DISPONIBLE SUR LE MARCHÉ .............................................................................. 101

6

LISTE DES FIGURES

Figure 1.1: Schéma de principe du JEDSAC.............................................................................................. 11 Figure 1.2 : Schéma de principe d’un CAES couplé à un stockage thermique .......................................... 12 Figure 2.1 : Configuration mécanique du moteur diesel et de la turbine à air ............................................ 15 Figure 2.2 : Chargement avec une configuration directe............................................................................ 16 Figure 2.3 : Chargement avec une configuration indirecte ......................................................................... 16 Figure 2.4 : Chargement avec une configuration détournée ...................................................................... 17 Figure 2.5 : Chargement avec une pompe à chaleur ................................................................................. 17 Figure 2.6 : Chargement avec dissipation .................................................................................................. 18 Figure 2.7 : Chargement avec stockage de chaleur et dissipation ............................................................. 18 Figure 2.8 : Chargement avec une machine de Carnot.............................................................................. 19 Figure 2.9 : Déchargement d’une configuration directe en série ................................................................ 20 Figure 2.10 : Déchargement d’une configuration directe en parallèle ........................................................ 20 Figure 2.11 : Déchargement avec récupération de la chaleur des gaz d’échappement dans le réservoir de stockage thermique..................................................................................................................................... 21 Figure 2.12 : MCP inclus dans le réservoir d’air comprimé ........................................................................ 21 Figure 2.13 : Déchargement indirect avec un circuit caloporteur ............................................................... 22 Figure 2.14 : Déchargement indirect avec deux circuits caloporteurs en séries ........................................ 22 Figure 2.15 : Déchargement indirect avec deux circuits caloporteurs en parallèles .................................. 23 Figure 2.16 : Déchargement avec pompe à chaleur................................................................................... 23 Figure 2.17 : Déchargement sans réservoir de stockage de chaleur ......................................................... 24 Figure 2.18 : Configuration mixte 1 – Direct et série .................................................................................. 25 Figure 2.19 : Configuration mixte 2 – Direct et parallèle............................................................................. 25 Figure 2.20 : Configuration mixte 3 - Direct avec récupération des gaz dans le réservoir de stockage de chaleur......................................................................................................................................................... 26 Figure 2.21 : Configuration mixte 4 – Réservoir d’air comprimé et de MCP jumelé................................... 26 Figure 2.22 : Configuration mixte 5 – Indirecte et série à deux circuits caloporteurs ................................. 27 Figure 2.23 : Configuration mixte 6 – Indirecte et série avec un circuit caloporteur................................... 27 Figure 2.24 : Configuration mixte 7 – Indirecte et parallèle à deux circuits caloporteurs ........................... 28 Figure 2.25 : Configuration mixte 8 – Indirecte et parallèle à un circuit caloporteur................................... 29 Figure 2.26 : Configuration mixte 9 – Pompe à chaleur ............................................................................. 29 Figure 2.27 : Configuration mixte 10 – Pompe à chaleur avec déchargement direct................................. 30 Figure 2.28 : Configuration mixte 11 – Dissipation de la chaleur ............................................................... 30 Figure 3.1 : Chaîne de conversion de l’énergie nécessaire pour le stockage ............................................ 42 Figure 3.2 : Schéma complet du système JEDSAC avec stockage de chaleur ......................................... 43 Figure 3.3 : Première maison utilisant des MCP comme stockage d’énergie solaire................................. 45 Figure 3.4 : Stratification thermique dans un réservoir d’eau chaude ........................................................ 48 Figure 3.5 : Organigramme de conception d’un ESECL............................................................................. 51 Figure 3.6 : Classification des MCP............................................................................................................ 53 Figure 3.7 : Encapsulation de MCP ............................................................................................................ 54 Figure 3.8 : Configuration typique de capsules .......................................................................................... 54 Figure 3.9 : Réservoir contenant des capsules de MCP modélisé par Hawlader ...................................... 57 Figure 3.10 : Schéma d’une configuration cylindrique contenant un MCP................................................. 57 Figure 3.11: Schéma d’une configuration à multiple cylindre ..................................................................... 57 Figure 3.12 : Schéma d’une configuration d’échangeur à plaques minces ................................................ 58 Figure 3.13 : Deuxième schéma d’une configuration d’échangeur à plaques minces ............................... 58 Figure 3.14 : Exemples de MCP disponibles sur le marché ....................................................................... 59 Figure 3.15 : Paraffine micro-encapsulée évaluée par microscope à électron après différents cycles thermiques................................................................................................................................................... 60 Figure 3.16 : Capacité calorifique d’un ESECL durant deux cycles thermiques ........................................ 61 Figure 3.17 : Enthalpie spécifique en fonction de la température pour différents matériaux, par unité de masse (kJ/kg) à gauche et par unité de volume (kJ/dm3) à droite ............................................................. 63

7

Figure 4.1 : Classification des échangeurs de chaleur ............................................................................... 73 Figure 4.2 : Échangeur de chaleur tubulaire à double tube........................................................................ 75 Figure 4.3 : Calandre avec faisceaux tubulaires horizontaux (a), calandre avec passage de tube en U (b).................................................................................................................................................................... 75 Figure 4.4 : Échangeur de chaleur en serpentin......................................................................................... 76 Figure 4.5 : Embouts standards des échangeurs de chaleur à tube et calandre selon TEMA .................. 77 Figure 4.6 : Échangeur de chaleur à plaques avec joint étanche et son bâti ............................................. 78 Figure 4.7 : Patrons de plaques communs ................................................................................................. 79 Figure 4.8 : Échangeur de chaleur à plaques hélicoïdales........................................................................ 82 Figure 4.9 : Échangeur de chaleur à lamelle (a), Section coupée de lamelles (b), Lamelles (c) ............... 83 Figure 4.10 : Échangeur à circuits imprimés de Heatric ............................................................................. 84 Figure 4.11 : Plaque à serpentin d’un échangeur à serpentin à plaque externe ........................................ 84 Figure 4.12 : Composantes de base d’un échangeur de chaleur à plaques avec ailettes ......................... 85 Figure 4.13 : Géométries d’ailettes ondulées pour échangeur de chaleur à plaques : (a) triangulaire; (b) rectangulaire; (c) ondulé; (d) bandes décalées; (e) multiples évents; (f) trouées....................................... 86 Figure 4.14 : (a) Tubes à ailettes simples; (b) ailettes plaques autour de tubes. Les ailettes sont plates, mais pourraient être ondulées, coupées ou à évents. ................................................................................ 87 Figure 4.15 : Tubes à ailettes simples ........................................................................................................ 87 Figure 4.16 : Trois configurations d’ailettes continues................................................................................ 88 Figure 4.17 : Tubes à ailettes longitudinaux ............................................................................................... 88 Figure 4.18 : Tubes avec ailettes internes .................................................................................................. 88 Figure 4.19 : Échangeur de chaleur à caloducs ......................................................................................... 89 Figure 4.20 : Principe d’un caloduc............................................................................................................. 89 Figure 4.21 : Schéma d'un échangeur thermique rotatif régénératif (à gauche) et panier de lamelles (à droite) .......................................................................................................................................................... 90

8

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 2.1 : Numéro des configurations ................................................................................................... 32 Tableau 2.2 : Matrice partielle du critère de simplicité................................................................................ 33 Tableau 2.3 : Matrice partielle du critère d’efficacité .................................................................................. 34 Tableau 2.4 : Matrice partielle du critère de contraintes opérationnelles ................................................... 36 Tableau 2.5 : Matrice partielle du critère de temps de réponse.................................................................. 37 Tableau 2.6 : Matrice partielle du critère de coût........................................................................................ 39 Tableau 2.7 : Matrice partielle du critère d’encombrement......................................................................... 40 Tableau 2.8 : Matrice de décision globale du choix de configuration ......................................................... 41 Tableau 3.1 : Avantages et inconvénients de l’eau comme stockeur de chaleur....................................... 48 Tableau 3.2 : Avantages et inconvénients de l’huile comme stockeur de chaleur ..................................... 48 Tableau 3.3 : Avantages et inconvénients de la roche, du béton et des briques comme stockeur de chaleur......................................................................................................................................................... 49 Tableau 3.4 : Avantages et inconvénients des métaux comme stockeur de chaleur................................. 50 Tableau 3.5 : Résumé des trois types de MCP .......................................................................................... 52 Tableau 3.6 : Avantages et inconvénients des MCP organiques ............................................................... 54 Tableau 3.7 : Avantages et inconvénients des hydrates de sel.................................................................. 55 Tableau 3.8 : Avantages et inconvénients de la glace ............................................................................... 56 Tableau 3.9 : Matrice élémentaire du critère d’efficacité du stockage sensible ......................................... 64 Tableau 3.10 : Matrice élémentaire du critère de coût du stockage sensible............................................. 64 Tableau 3.11 : Matrice élémentaire du critère de capacité calorifique du stockage sensible .................... 64 Tableau 3.12 : Matrice élémentaire du critère d’autodécharge du stockage sensible................................ 65 Tableau 3.13 : Matrice élémentaire du critère de vitesse de restitution du stockage sensible .................. 65 Tableau 3.14 : Matrice élémentaire du critère d’encombrement du stockage sensible ............................. 66 Tableau 3.15 : Matrice élémentaire du critère de sécurité pour l’environnement du stockage sensible.... 66 Tableau 3.16 : Matrice élémentaire du critère d’efficacité du stockage latent............................................ 67 Tableau 3.17 : Matrice élémentaire du critère de coût du stockage latent ................................................. 67 Tableau 3.18 : Matrice élémentaire du critère de capacité de stockage du stockage latent...................... 67 Tableau 3.19 : Matrice élémentaire du critère d’autodécharge du stockage latent .................................... 68 Tableau 3.20 : Matrice élémentaire du critère de la vitesse de restitution du stockage latent ................... 68 Tableau 3.21 : Matrice élémentaire du critère d’encombrement du stockage latent .................................. 69 Tableau 3.22 : Matrice élémentaire du critère de sécurité pour l’environnement du stockage latent ........ 69 Tableau 3.23 : Matrice de décision globale ................................................................................................ 70 Tableau 4.1 : Avantages et inconvénients d’un échangeur de chaleur à doubles tubes ........................... 75 Tableau 4.2 : Avantages et inconvénients des échangeurs de chaleur à calandre et faisceaux tubulaires horizontaux.................................................................................................................................................. 76 Tableau 4.3 : Avantages et inconvénients des échangeurs de chaleur à calandre et passage de tube en U.................................................................................................................................................................. 76 Tableau 4.4 : Matériaux utilisés pour des joints d’étanchéité des échangeurs de chaleur ........................ 80 Tableau 4.5 : Points d’opérations et géométries typiques d’échangeur de chaleur à plaques .................. 80 Tableau 4.6 : Avantages et inconvénients des échangeurs de chaleurs à plaques hélicoïdales............... 82 Tableau 4.7 : Fabricants d’échangeurs de chaleur..................................................................................... 91 Tableau A1 : Matrice de décision du sous-critère de simplicité de conception .......................................... 97 Tableau A2 : Matrice de décision du sous-critère de simplicité de fabrication ........................................... 97 Tableau A3 : Matrice de décision du sous-critère de simplicité de contrôle............................................... 98 Tableau A4 : Matrice de décision du sous-critère de simplicité d’exploitation............................................ 98 Tableau A5 : Sous-matrice de décision du critère de simplicité ................................................................. 98 Tableau B1 : Propriétés thermophysiques de matériaux sensibles............................................................ 99 Tableau B2 : Propriétés thermophysiques générales de MCP................................................................... 99 Tableau B3 : Propriétés thermophysiques de certains acides gras ......................................................... 100 Tableau C1 : MCP disponibles commercialement .................................................................................... 102

9

ABRÉVIATIONS

°C Celsius η Rendement CAES Compressed Air Energy Storage Cp Chaleur spécifique Dr Docteur E Énergie Est Énergie stockée Eut Énergie utile ESECL Élément de Stockage d’Énergie par Chaleur Latente GES Gaz à Effet de Serre GWh GigaWatt Heure Kg Kilogramme JED Jumelage Éolien-Diesel JEDSAC Jumelage Éolien-Diesel avec Stockage d’Air Comprié LREE Laboratoire de Recherche en Énergie Éolienne m Masse MCP Matériau à Changement de Phase MIT Massachusetts Institute of Technology MJ Méga Joule MPa Méga Pascal Pr Professeur Psi Livre par pouce carré ST Stockage Thermique T Température TPE Taux de Pénétration en énergie Éolienne UQAR Université du Québec À Rimouski Wh Watt Heure

10

CHAPITRE 1 : INTRODUCTION

1.1 Généralités

Le Canada occupe un immense territoire et la population est extrêmement éparse. Plus de 200 000

personnes vivent dans plus de 300 communautés isolées (Yukon, Nunavut, Ïles…). Il faut ajouter à cela

les nombreuses installations techniques (tours et relais de télécommunications, systèmes

météorologiques), touristiques (pourvoiries, chalets, etc.), agricoles et piscicoles qui ne sont pas reliées

aux réseaux provinciaux ou nationaux de distribution et de transport d’électricité. Cela est dû au fait qu’il

est techniquement trop complexe d’étendre le réseau jusqu’à ces secteurs à cause du coût élevé des

lignes de transmission et des pertes liées à la distribution de la puissance centralement développée aux

régions éloignées [LIU]. Ces communautés (sites) isolées utilisent des moteurs diesel pour générer de

l’électricité. Cette méthode a des coûts prohibitifs en raison du prix élevé du transport du carburant diesel

et elle est relativement inefficace, très dispendieuse et responsable de l’émission de 1.2 million de tonnes

de gaz à effet de serre (GES) annuellement [ILI 2007].

De plus, l’exploitation de ces réseaux se solde par un déficit de l’ordre de centaines de millions de dollars

par année. À titre d’exemple, au Québec seul, Hydro-Québec estime à environ 133 millions de dollars les

pertes subies chaque année pour l’alimentation de 14000 abonnés répartis dans une quarantaine de

communautés non reliées au réseau principal [MRNF].

La plupart de ces communautés sont situées près de la côte et possèdent une bonne ressource éolienne.

Une ressource éolienne importante dans ces réseaux autonomes pourrait donc réduire le déficit

d’exploitation en privilégiant le vent, un carburant local, plutôt que le diesel, un carburant importé [REI

1997].

Le « Jumelage Éolien-Diesel » (JED), déjà utilisé dans des communautés nordiques au Yukon, Nunavut

et en Alaska, rencontre des obstacles résultants des contraintes de fonctionnement des diesels qui

limitent l’énergie éolienne à un niveau de pénétration trop faible pour en réaliser le plein potentiel. Ceci

force à rejeter une quantité appréciable de l’énergie éolienne [IBR 2007]. L’utilisation d’un « Jumelage

Éolien-Diesel à Haute Pénétration associé à un dispositif de stockage » maximise le taux de pénétration

en énergie éolienne en profitant de l’énergie excédentaire, donne une puissance plus stable et permet

11

l’arrêt complet des groupes diesel pendant que la production éolienne est supérieure à la demande. Le

dispositif de stockage envisagé doit être assez dynamique et adaptable au système hybride afin qu’il soit

capable d’agir en temps réel, en fonction des fluctuations de la puissance générée et consommée [IBRA

2007]. Pour cette raison, il a été proposé d’utiliser le jumelage éolien-diesel avec stockage sous forme

d’air comprimé (JEDSAC) dans le cadre des systèmes énergétiques. Cette façon de concevoir

l’intégration éolienne maximise le pourcentage d’énergie éolienne dans l’énergie annuelle totale (le TPE)

en profitant de l’énergie éolienne excédentaire tout en amenant des économies de carburant beaucoup

plus intéressant que les autres technologies. Ce système permet en plus de réduire l’émission de GES et

permet d’apporter des économies sur l’entretien et le coût de remplacement des diesels. La

suralimentation permettra aux diesels de développer une puissance supérieure tout en réduisant la

consommation du carburant [IBR 2007], [IBRAH 2007]. L’air comprimé, nécessaire à la suralimentation,

est obtenu avec l’énergie excédentaire fournie par l’éolienne. La figure 1.1 illustre le schéma de principe

du système de stockage [ILI 2007].

Figure 1.1: Schéma de principe du JEDSAC

12

1.2 Problématique

La technologie CAES1 est efficace (65-75%), dynamique, bon marché et a une durée de vie quasi

illimitée. Ce jumelage qui, combiné avec une suralimentation des moteurs diesel aura comme effet

l’augmentation du taux de pénétration de l’énergie éolienne (TPE). Ainsi, durant les périodes de fort vent,

le surplus de l’énergie éolienne2 est utilisé pour comprimer l’ai avec un compresseur. L’air comprimé est

refroidi avant de le stocker dans un réservoir conçu pour cette raison, afin de pouvoir diminuer le volume

de stockage et par conséquent le coût du système. Durant les périodes de vent faible3, l’air comprimé

relâché du réservoir traverse un détendeur situé entre le réservoir et le moteur diesel. Ceci permet de

diminuer la pression de l’air comprimé afin qu’il soit adaptable au niveau du système d’admission du

moteur. À la sortie du détendeur, l’air comprimé subira une grande chute de température4. Cela

nécessitera un préchauffage afin d’éviter la formation de givre dans la conduite. L’air comprimé

préchauffé sert ensuite à suralimenter le moteur diesel en permettant l’augmentation de sa puissance, de

son rendement et la diminution de la consommation de combustible.

Plusieurs techniques pour refroidir l’air comprimé (pendant le stockage) et le chauffer (pendant la

décharge) existent et elles sont basées sur le stockage thermique sensible, latent, les échangeurs

thermiques ou sur une technologie qui combine les deux et jouent le rôle d’un échangeur thermique et

d’un système de stockage thermique (ST) [ILI 2007]. La figure 1.2 illustre le schéma de principe du

système CAES-ST à grande échelle.

Figure 1.2 : Schéma de principe d’un CAES couplé à un stockage thermique [RUF]

1 Compressed Air Energy Storage

2 TPE > 1

3 TPE < 1

4 Température de sortie est autour de -80 °C

13

1.3 Objectifs

Le projet comporte quatre volets dépendants [ILIN 2007]

1. Phase de la recherche de modèle : L’analyse des caractéristiques de chacune de ces techniques,

au niveau de l’efficacité, de la simplicité, de l’adaptabilité au JEDSAC et du coût afin de pouvoir

dégager la technologie candidate. Une matrice de décision sera utilisée pour justifier le choix.

2. Phase de conception et de modélisation : Une fois le choix fait et justifié, la conception, la

modélisation et la simulation du système adopté suivront.

3. Phase de prototypage : Un prototype du système fabriqué selon les spécifications de la

conception.

4. Phase de la validation expérimentale : Validation du prototype avec des essais expérimentaux

afin de vérifier les résultats théoriques.

Le présent rapport porte sur la phase 1, recherche de modèle, du projet et a pour objectifs :

1. Présenter les possibilités d’intégration d’un stockage thermique au système JEDSAC,

2. Présenter les technologies de stockage de chaleur,

3. Comparer les configurations et technologies potentielles pour obtenir une seule solution,

4. Justifier le choix de la technologie candidate.

14

CHAPITRE 2 : CONFIGURATIONS DU SYSTÈME

2.1 Généralités

Le système de stockage de chaleur doit être intégré au système JEDSAC tel que décrit en introduction.

On distingue deux modes de fonctionnement, chargement et déchargement. Chacun de ces modes peut

se diviser en deux principales catégories, directes et indirectes. Les configurations directes consistent à

transférer la chaleur directement de l’air au système de stockage de chaleur en mode chargement ou du

système de stockage de chaleur et des gaz d’échappement du moteur diesel à l’air comprimé en mode

de déchargement. Les configurations indirectes consistent à utiliser un fluide caloporteur intermédiaire

entre l’air et les autres parties du système. D’autres configurations qui n’entrent pas dans ces deux

catégories seront ajoutées à leur suite. Ainsi, toutes les configurations potentielles d’être intégrées à un

système JEDSAC seront présentées dans la section 2.2 pour le chargement et la section 2.3 pour le

déchargement. Finalement, les combinaisons des configurations comprenant les phases de chargement

et déchargement potentielles seront présentées dans la section 2.4.

Afin de déterminer la meilleure solution d’intégration du système de stockage de chaleur dans un

système JEDSAC, une matrice de décision sera utilisée en se basant sur les critères suivants :

• simplicité,

• efficacité,

• contraintes opérationnelles,

• temps de réponse,

• coût,

• et encombrement.

La section 2.5 expliquera chacun de ces critères et présentera la méthodologie utilisée pour l’évaluation

des configurations. De plus, les justifications des choix de configuration et la matrice de décision globale

seront présentées à la fin de ce chapitre.

Il est à noter que l’adaptabilité au système, bien que primordiale, est considérée comme acquise pour

chacune des solutions proposées.

15

Il est également important de mentionner qu’afin de simplifier les schémas conceptuels et de permettre

une meilleure compréhension de ceux-ci, la turbine à air et le moteur n’ont pas été schématisés par un

axe mécanique tel que décrit en introduction. Ils sont toutefois bien reliés mécaniquement l’un à l’autre

tels que décrits précédemment. La figure 2.1 illustre leur configuration [IBR 2008].

Figure 2.1 : Configuration mécanique du moteur diesel et de la turbine à air

2.2 Chargement

Lorsque la production d’énergie éolienne est supérieure aux besoins énergétiques, l’énergie excédentaire

est emmagasinée sous forme d’air comprimé. On nomme ce mode de fonctionnement le chargement. Tel

que mentionné dans la section précédente, on distingue deux types de configuration, directe et indirecte

qui seront détaillées dans cette section. Il est à noter que d’autres configurations sont possibles, mais

que celles présentées ici sont les plus intéressantes et les plus simples pour un système JEDSAC.

2.2.1 Chargement direct

Dans une configuration directe, le fluide caloporteur est l’air. Suite à sa compression, il traverse le

réservoir de stockage de chaleur, permettant l’échange avec le médium de stockage. Une fois refroidi,

l’air est emmagasiné dans le réservoir d’air comprimé. Il est à noter que les éléments permettant

l’échange de chaleur dans le réservoir de stockage devront résister à de hautes pressions. La figure 2.2 à

la page suivante illustre ce concept.

16

Figure 2.2 : Chargement avec une configuration directe

2.2.2 Chargement indirect

Dans une configuration indirecte, la chaleur de l’air dégagée suite à la compression est extraite avec un

échangeur de chaleur dans lequel circule un fluide caloporteur autre que l’air. Ce fluide est pompé vers le

réservoir de stockage de chaleur où il échange l’énergie extraite de l’air comprimé. La figure 2.3 illustre

ce concept.

Figure 2.3 : Chargement avec une configuration indirecte

2.2.3 Chargement détourné

Cette configuration consiste à compresser l’air directement dans le réservoir. En même temps, l’excédent

d’énergie produite par l’éolienne est utilisé pour faire fonctionner une pompe qui fait circuler un fluide

caloporteur dans deux échangeurs thermiques intégrés dans les réservoirs d’air comprimé et de stockage

17

de chaleur. La figure 2.4 illustre cette configuration. On note que la température finale des deux

réservoirs tendra à s’égaliser avec le temps.

Figure 2.4 : Chargement avec une configuration détournée

2.2.4 Chargement avec une pompe à chaleur

Cette configuration consiste à comprimer l’air dans le réservoir prévu puis d’extraire sa chaleur avec une

pompe à chaleur dont la dissipation se fait dans le réservoir de stockage de chaleur. La figure 2.5 illustre

ce principe. En choisissant adéquatement la température de stockage de la chaleur, une basse

température de l’air comprimé pourrait être atteinte.

Figure 2.5 : Chargement avec une pompe à chaleur

2.2.5 Chargement avec dissipation

Cette configuration consiste à dissiper la chaleur suite à la compression de l’air plutôt que de

l’emmagasiner. La figure 2.6 illustre cette option. Énergétiquement parlant, l’efficacité de cette solution

est faible, car il y a une perte directement proportionnelle à la perte de température de stockage de l’air

comprimé. Par contre, la simplicité d’implantation et le faible coût font que cette solution puisse être

envisageable dans certains cas. Il faudra tout de même s’assurer que le flux de chaleur des gaz

d’échappement sera suffisant pour réchauffer l’air comprimé à la sortie du réservoir de manière à ce

qu’aucun givre ne survienne dans la turbine à air et le circuit d’air comprimé.

18

Figure 2.6 : Chargement avec dissipation

2.2.6 Chargement avec stockage de chaleur et dissipation

Cette configuration consiste à emmagasiner une quantité de chaleur sous forme sensible ou latente dans

un réservoir et de dissiper la chaleur nécessaire avec un échangeur afin d’abaisser la température de

stockage de l’air comprimé. Cette solution est un hybride de la méthode de chargement direct et de

chargement avec dissipation.

Figure 2.7 : Chargement avec stockage de chaleur et dissipation

2.2.7 Chargement avec une machine de Carnot

Lors de la compression de l’air, celle-ci atteint une température autour de 100 °C. Supposons que le

médium de stockage de chaleur soit de la glace à une température de -5 °C. La différence entre les deux

réservoirs est susceptible d’être utilisée pour générer un travail externe avec une machine de Carnot.

Avec ces données de températures, nous sommes en mesure de déterminer l’efficacité d’une telle

machine :

( )

( )

273 51 1 28.1%

273 100

lowthermique reversible

high

T

T

−η = − = − =

+

Où thermique reversibleη est le rendement de la machine, low

T la température dans le réservoir de stockage

de chaleur et high

T est la température dans le réservoir d’air comprimé. De plus, la température des deux

19

réservoirs aura tendance à se rapprocher l’une de l’autre afin de trouver un équilibre à la même

température, abaissant du même le rendement avec le temps. On noterait également une température de

l’air comprimé relativement élevée. Donc, avec un rendement théorique maximal de 28,1 %, une machine

de Carnot n’est pas envisageable pour une utilisation avec un système JEDSAC avec stockage de

chaleur. Ce principe est illustré à la figure 2.8.

Figure 2.8 : Chargement avec une machine de Carnot

2.3 Déchargement

Lorsque l’énergie éolienne produite est inférieure à la demande, un moteur diesel fournit l’électricité

manquante pour subvenir aux besoins énergétiques. À ce moment, l’air comprimé est restitué dans le

système à travers une turbine à air reliée au turbocompresseur du moteur diesel. L’énergie contenue

dans l’air est proportionnelle à sa température. Ainsi, l’objectif principal est de chauffer au maximum l’air

restitué. Pour ce faire, deux sources de chaleur sont utilisées, un réservoir de stockage de chaleur et la

chaleur des gaz d’échappement du moteur diesel. Ces éléments peuvent être intégrés au système

JEDSAC de plusieurs manières. On distingue deux principaux types de configurations, directes et

indirectes. Cette section décrit les différentes possibilités de ces deux types ainsi que d’autres solutions

envisageables.

Une configuration est dite directe si l’échange de chaleur se fait directement entre l’air compressé et les

sources de chaleur. C’est-à-dire qu’aucun fluide caloporteur n’est utilisé comme intermédiaire entre le

réservoir de stockage de chaleur, l’échangeur de chaleur des gaz d’échappement du moteur diesel et la

conduite d’admission de la turbine à air. Au contraire, une configuration indirecte utilise un fluide

caloporteur intermédiaire entre l’air comprimé et le réservoir de stockage de chaleur ou les gaz

d’échappement.

20

2.3.1 Déchargement direct en série

Cette configuration consiste à relier en série le réservoir de stockage thermique et l’échangeur de chaleur

des gaz d’échappement avec la ligne d’air comprimé. La figure 2.9 illustre ce concept. On note que le

réservoir de stockage de chaleur est le premier à réchauffer l’air comprimé à sa sortie, car sa température

de stockage est inférieure à celle des gaz d’échappement qui atteint plus de 600 °C. Le principal

avantage de cette configuration est que la température de sortie de l’air comprimé est maximale.

Figure 2.9 : Déchargement d’une configuration directe en série

2.3.2 Déchargement direct en parallèle

Cette configuration consiste à relier en parallèle le réservoir de stockage thermique et l’échangeur de

chaleur des gaz d’échappement avec la ligne d’air comprimé. La figure 2.10 illustre ce concept. On note

que la température de l’air à la sortie de la valve de mélange des deux éléments peut facilement être

contrôlée en modifiant les débits de chacune des lignes d’air comprimé.

Figure 2.10 : Déchargement d’une configuration directe en parallèle

21

2.3.3 Déchargement avec récupération de la chaleur des gaz d’échappement dans le réservoir de

stockage thermique

Ce concept consiste à réchauffer l’air comprimé sortant du réservoir en le faisant circuler dans le

réservoir de stockage thermique. La chaleur des gaz d’échappement est récupérée dans le réservoir de

stockage thermique par un échangeur de chaleur. La figure 2.11 illustre ce concept.

Figure 2.11 : Déchargement avec récupération de la chaleur des gaz d’échappement dans le réservoir de stockage thermique

2.3.4 MCP inclus dans le réservoir d’air comprimé

Ce concept consiste à insérer un MCP dans le haut du réservoir d’air comprimé. Ceci permettrait de

garder la température de l’air à une température stable sur une plus longue période de temps lors de la

restitution de celle-ci. De plus, l’air est chauffé par les gaz d’échappement du moteur diesel par le biais

d’un échangeur thermique avant d’être conduit à la turbine à air. La figure 2.12 illustre ce concept.

Il est à noter que la construction d’un tel réservoir d’air comprimé pourrait être compliquée et nécessiterait

une étude approfondie afin de pouvoir trouver le compromis entre la résistance du contenant des MCP à

la pression et leur capacité à conserver un bon transfert de chaleur entre l’air comprimé et le MCP.

Figure 2.12 : MCP inclus dans le réservoir d’air comprimé

22

2.3.5 Déchargement indirect avec un circuit caloporteur

Ce concept consiste à utiliser un seul circuit avec un fluide caloporteur pour extraire la chaleur du

système de stockage ainsi que des gaz d’échappement. Celui-ci est relié à l’air comprimé sortant avec un

échangeur de chaleur. La figure 2.13 illustre ce concept.

Figure 2.13 : Déchargement indirect avec un circuit caloporteur

2.3.6 Déchargement avec deux circuits caloporteurs

Ce concept consiste à utiliser deux circuits avec chacun un fluide caloporteur pour extraire la chaleur du

système de stockage et des gaz d’échappement. Ceux-ci peuvent être reliés en série ou en parallèle sur

le circuit d’air comprimé. La figure 2.14 illustre ce concept relié en série et la figure 2.15 avec une

configuration en parallèle.

Figure 2.14 : Déchargement indirect avec deux circuits caloporteurs en séries

23

Figure 2.15 : Déchargement indirect avec deux circuits caloporteurs en parallèles

2.3.7 Déchargement avec pompe à chaleur

Cette configuration consiste à transporter la chaleur contenue dans un réservoir de stockage thermique

dans le réservoir d’air comprimé avec une pompe à chaleur lors du relâchement de l’air comprimé. De

plus, l’air est réchauffé à la sortie du réservoir par les gaz d’échappement du moteur diesel. La figure

2.16 illustre ce concept.

Figure 2.16 : Déchargement avec pompe à chaleur

24

2.3.8 Déchargement sans réservoir de stockage de chaleur

Cette configuration consiste à utiliser seulement la chaleur provenant des gaz d’échappement du moteur

diesel pour réchauffer l’air comprimé. Cette solution est particulièrement intéressante dans le cas où la

chaleur a été dissipée lors de la compression et non emmagasinée dans un réservoir thermique. La

figure 2.17 illustre ce concept.

Figure 2.17 : Déchargement sans réservoir de stockage de chaleur

2.4 Configurations mixtes

Cette étape consiste à combiner les modes de chargement et déchargement pour obtenir des solutions

de système complet. Seules les combinaisons les plus prometteuses d’être intégrées à un système

JEDSAC sont comptabilisées. De plus, certaines configurations ont été abandonnées, car elles n’étaient

pas suffisamment performantes.

Pour le mode de chargement, la configuration détournée et celle utilisant une machine de Carnot ont été

abandonnées, la première pour un problème lié à l’utilisation d’un fluide caloporteur entre les deux

réservoirs qui auront tendance à égaliser leur température respective et la deuxième pour le faible

rendement thermique et la non-nécessité de produire plus d’énergie dans ce mode de fonctionnement.

Il est à noter que le moyen d’extraction du réservoir de stockage de chaleur lors du déchargement doit

utiliser au mieux les éléments de la configuration de chargement afin de simplifier la configuration.

Il faut également noter que d’autres configurations sont possibles, mais que celles présentées sont les

plus potentielles à être intégrées à un système JEDSAC.

25

2.4.1 Configuration mixte 1 : Direct et série

Cette configuration consiste à utiliser une configuration directe lors du chargement et une configuration

en série lors du déchargement. La figure 2.18 illustre cette configuration.

Figure 2.18 : Configuration mixte 1 – Direct et série

2.4.2 Configuration mixte 2 : Direct et parallèle

Cette configuration consiste à charger le réservoir d’air comprimé en utilisant une configuration directe du

réservoir de stockage thermique et de relier ce réservoir en parallèle à un échangeur de chaleur relié aux

gaz d’échappement du moteur diesel. Cette configuration permet un meilleur contrôle de la température

de l’air comprimé avant son introduction dans la turbine à air. La figure 2.19 illustre ce concept.

Figure 2.19 : Configuration mixte 2 – Direct et parallèle

26

2.4.3 Configuration mixte 3 : Direct avec récupération de gaz dans le réservoir de stockage de chaleur

Cette configuration consiste à utiliser l’air comme caloporteur principal lors de la période de chargement

et de déchargement. De plus, lors de la phase de déchargement, la chaleur des gaz d’échappement est

extraite et stockée dans le réservoir de stockage de chaleur. La figure 2.20 illustre ce concept.

Figure 2.20 : Configuration mixte 3 - Direct avec récupération des gaz dans le réservoir de stockage de

chaleur

2.4.4 Configuration mixte 4 : Réservoir d’air comprimé et de MCP jumelés

Cette solution consiste à comprimer l’air directement dans le réservoir d’air comprimé. Afin de diminuer la

température de l’air, un MCP est intégré à l’intérieur du réservoir. Lors de la décharge, les gaz

d’échappement du moteur diesel viennent augmenter la température de l’air comprimé par le biais d’un

échangeur de chaleur. Durant cette phase, la chute de température due à la diminution de pression dans

le réservoir est minimisée grâce aux MCP qui libèrent la chaleur accumulée lors de la compression. La

figure 2.21 illustre ce concept. Différentes méthodes d’intégration des MCP dans le réservoir d’air

comprimé sont envisageables : petite sphère, cylindre, plaques contenant un MCP.

Figure 2.21 : Configuration mixte 4 – Réservoir d’air comprimé et de MCP jumelé

27

2.4.5 Configuration mixte 5 : Indirecte et série à deux circuits caloporteurs

En mode de chargement, la chaleur de l’air comprimé est extraite par le biais d’un échangeur thermique

d’un circuit caloporteur relié au réservoir de stockage de chaleur. En mode de déchargement, l’air est

chauffé par un circuit caloporteur relié au gaz d’échappement et au circuit caloporteur relié au réservoir

de stockage de chaleur. Ces deux échangeurs thermiques sont reliés en série avant d’entrer dans la

turbine à air. La figure 2.22 illustre ce concept.

Figure 2.22 : Configuration mixte 5 – Indirecte et série à deux circuits caloporteurs

2.4.6 Configuration mixte 6 : Indirecte et série avec un circuit caloporteur

En mode de chargement, la chaleur est extraire de l’air comprimé par un échangeur thermique relié au

réservoir de stockage thermique. En mode de déchargement, l’air est réchauffé par le même échangeur

thermique relié au réservoir de stockage de chaleur et par la suite par un autre échangeur thermique relié

aux gaz d’échappement du moteur diesel. La figure 2.23 illustre ce concept.

Figure 2.23 : Configuration mixte 6 – Indirecte et série avec un circuit caloporteur

28

2.4.7 Configuration mixte 7 : Indirecte et parallèle à deux circuits caloporteurs

En mode chargement, la chaleur générée lors de la compression est extraite de l’air par un fluide

caloporteur par le biais d’un échangeur thermique avant d’être emmagasinée dans un réservoir sous

pression. Ce fluide diminue sa température dans le réservoir de stockage de chaleur. En mode de

déchargement, l’air comprimé est réchauffé par le même circuit caloporteur que lors du chargement et

par un autre circuit placé en parallèle reliant les gaz d’échappement à un fluide caloporteur avec un

échangeur thermique. Après, ce circuit est relié à l’air avec un autre échangeur thermique. La figure 2.24

illustre ce concept.

Figure 2.24 : Configuration mixte 7 – Indirecte et parallèle à deux circuits caloporteurs

2.4.8 Configuration mixte 8 : Indirecte et parallèle à un circuit caloporteur

En mode de chargement, la chaleur générée lors de la compression est extraite de l’air par un fluide

caloporteur par le biais d’un échangeur thermique avant d’être emmagasinée dans un réservoir sous

pression. Ce fluide diminue sa température dans le réservoir de stockage de chaleur. En mode de

déchargement, l’air comprimé est réchauffé par le même circuit caloporteur que lors du chargement et

par un autre circuit placé en parallèle reliant les gaz d’échappement à l’air comprimé par le biais d’un

échangeur de chaleur. La figure 2.25 illustre ce concept.

29

Figure 2.25 : Configuration mixte 8 – Indirecte et parallèle à un circuit caloporteur

2.4.9 Configuration mixte 9 : Pompe à chaleur

Cette configuration consiste à utiliser une pompe à chaleur afin d’extraire la chaleur dans le réservoir de

l’air comprimé et de l’emmagasiner dans un réservoir de stockage de chaleur. En mode de chargement,

l’air comprimé entre directement dans son réservoir et est refroidi par une pompe à chaleur transférant la

chaleur du réservoir d’air comprimé vers le réservoir de stockage thermique. En mode de déchargement,

la température du réservoir d’air comprimé est gardée constante avec la pompe à chaleur qui amène la

chaleur emmagasinée du réservoir de stockage thermique vers le réservoir d’air comprimé. De plus, l’air

est chauffé à sa sortie du réservoir par le biais d’un échangeur de chaleur relié aux gaz d’échappement

du moteur diesel. La figure 2.26 illustre ce concept.

Figure 2.26 : Configuration mixte 9 – Pompe à chaleur

30

2.4.10 Configuration mixte 10 : Pompe à chaleur avec déchargement direct

Cette configuration consiste à pomper la chaleur du réservoir d’air comprimé en direction du réservoir de

stockage thermique avec une pompe à chaleur durant la phase de chargement. Lors du mode de

déchargement, l’air comprimé circule dans le réservoir de stockage de chaleur puis dans un échangeur

relié aux gaz d’échappement. La figure 2.27 illustre ce concept.

Figure 2.27 : Configuration mixte 10 – Pompe à chaleur avec déchargement direct

2.4.11 Configuration mixte 11 : Dissipation de la chaleur

Cette configuration consiste à utiliser un échangeur thermique pour dissiper la chaleur de l’air comprimé

avant de l’emmagasiner dans le réservoir. Lors de la phase de déchargement, l’air comprimé est chauffé

par les gaz d’échappement du moteur diesel par le biais d’un échangeur thermique. La figure 2.28 illustre

ce concept.

Figure 2.28 : Configuration mixte 11 – Dissipation de la chaleur

31

2.5 Choix d’une configuration

Afin de déterminer la meilleure configuration, une étude comparative des solutions mixtes est faite. Pour

chacun des critères décrits dans la section 2.5.1, les solutions sont évaluées avec des notes variant entre

0, 0.5 et 1 (0 signifiant inférieur, 0.5 égale et 1 supérieur). Une matrice intermédiaire est ainsi remplie

pour chacun des critères et finalement une matrice de décision globale est complétée afin de cumuler les

notes des configurations. Dans cette matrice, chacun des critères a une pondération correspondant à son

importance.

2.5.1 Critères de choix

Le choix d’une configuration pour le système JEDSAC doit se baser sur des critères bien établis. C’est

pourquoi une description exhaustive de chacun d’eux est faite. Certaines définitions sont basées sur le

travail d’Hussein Ibrahim [IBR 2008]

1. Simplicité :

La simplicité est la propriété d’être simple et composée de peu d’éléments. Ce critère

évalue les difficultés techniques de la configuration potentielle lors de sa conception et de

sa fabrication. De plus, les difficultés de contrôler et exploiter le système sont incluses

dans ce critère. Afin de bien comparer les différentes configurations, le nombre de pièces

et leur complexité sera un indice judicieux sur la simplicité des solutions.

2. Efficacité :

L’efficacité est le rapport entre l’énergie délivrée et celle emmagasinée, ut st

E Eη = .

Son expression est simple, mais lorsqu’il faut l’évaluer, les pertes de charge et les pertes

à vide ou autodécharge doivent être comptabilisées. L’efficacité doit donc être basée sur

un ou plusieurs cycles réalistes relativement à l’application. De plus, l’efficacité varie en

fonction du point de fonctionnement et de l’état de charge. La dissipation volontaire de

chaleur ainsi que la quantité de tuyaux, augmentation des pertes de charge, seront les

principaux critères pour comparer l’efficacité des systèmes.

3. Contraintes opérationnelles :

Les contraintes opérationnelles sont tous les éléments qui pourraient nuire au bon

fonctionnement du système. Des problèmes concernant une haute température de

stockage de l’air comprimé, une formation de givre lors de la détente de l’air comprimé à

la sortie du réservoir, une haute pression excessive, humidité, etc.

32

4. Temps de réponse :

Le temps de réponse ou constante de temps se définit par le rapport entre la capacité

énergétique et la puissance maximale. Ce rapport est la durée durant laquelle la

décharge se fait à la puissance maximale, max( ) sts W Pτ = .

5. Coût :

Lors d’un investissement, le plus intéressant pour un investisseur est que la somme des

gains soit supérieure à la somme des coûts. Pour ce faire, il faut que le coût global sur le

cycle de vie soit le plus bas possible. Ceci ne signifie pas nécessairement que le moins

dispendieux à l’investissement ait le plus bas prix à long terme. Donc, en plus du coût à

l’investissement, les coûts liés à l’exploitation, par exemple les fluides caloporteurs à

purger, seront sur quoi ce critère sera évalué.

6. Encombrement :

L’encombrement représente l’espace nécessaire pour installer un système. Le nombre

d’éléments composants les configurations sera le principal élément de comparaison,

particulièrement les pièces de grands volumes comme les réservoirs.

2.5.2 Évaluation et justifications des critères

Afin de simplifier les matrices de décisions, chaque configuration est nommée par un numéro. Le tableau

2.1 rappelle la correspondance entre les configurations décrites dans la section 2.4 et le nombre associé.

Mixte 1 Direct et série

Mixte 2 Direct et parallèle

Mixte 3 Direct avec récupération des gaz dans le réservoir de stockage de chaleur

Mixte 4 Réservoir d’air comprimé et de MCP jumelés

Mixte 5 Indirecte et série à deux circuits caloporteurs

Mixte 6 Indirecte et série avec un circuit caloporteur

Mixte 7 Indirecte et parallèle à deux circuits caloporteurs

Mixte 8 Indirecte et parallèle à un circuit caloporteur

Mixte 9 Pompe à chaleur

Mixte 10 Pompe à chaleur avec déchargement direct

Mixte 11 Dissipation de la chaleur

Tableau 2.1 : Numéro des configurations

33

1. Simplicité

Ne comportant aucun réservoir de stockage de chaleur, la solution mixte 11 (dissipation de la

chaleur) est la plus simple au niveau de la conception, de la fabrication, du contrôle et de

l’exploitation. Une note de 1,0 face à toutes les autres configurations lui est accordée.

Ne comportant aucun circuit caloporteur en dehors du réservoir de stockage de chaleur ni de

circuits extérieurs, les solutions mixtes 1 et 2, configurations directes séries et parallèle, ont un

niveau de complexité égal entre eux et inférieur aux solutions mixtes 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 et 10.

Afin de comparer les solutions 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 et 10, il a été nécessaire de remplir des sous-

matrices de décision. Quatre sous-critères ont été retenus pour ces sous-matrices : simplicité de

conception, de fabrication, de contrôle et d’exploitation. Chacun de ces sous-critères a une

pondération de 25 %. Les sous-matrices sont présentées dans l’annexe A. La notation de ces

solutions est donnée en fonction du rang occupé dans la sous-matrice du critère. Le tableau 2.2

résume ces résultats.

Mix

te 1

Mix

te 2

Mix

te 3

Mix

te 4

Mix

te 5

Mix

te 6

Mix

te 7

Mix

te 8

Mix

te 9

Mix

te 1

0

Mix

te 1

1

Mixte 1 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 2 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 3 1,0 1,0 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 4 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0 0,0 1,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 6 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,5 0,0 0,0 1,0

Mixte 7 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0

Mixte 8 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 0,5 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 9 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0 0,0 1,0

Mixte 10 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Mixte 11 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Total 0,85 0,85 0,60 0,40 0,30 0,65 0,10 0,55 0,20 0,00 1,00

Tableau 2.2 : Matrice partielle du critère de simplicité

34

2. Efficacité

Énergétiquement parlant, avec aucun système de récupération de la chaleur suite à la

compression de l’air, la solution mixte 11, dissipation de la chaleur, est la moins efficace des

solutions. Pour cette raison, une note de 0,0 lui est donnée contre toutes les autres solutions

proposées.

Avec aucun appareil ne nécessitant de l’énergie autre que celle du compresseur, les solutions

mixtes 1,2,3 et 4, direct série et parallèle, direct avec récupération des gaz d’échappement dans le

réservoir de stockage de chaleur et réservoir d’air comprimé jumelé avec un MCP, sont plus

efficace que les solutions mixtes 5, 6, 7, 8, 9 et 10. Elles obtiennent donc une note de 1,0 face à

ces dernières solutions. Étant donné qu’aucune autre donnée ne peut être faite à cette étape du

projet, les solutions mixtes 1, 2, 3 et 4 sont considérées égales pour le critère d’efficacité.

Les pompes à chaleur sont parmi les machines les plus efficaces. Pour cette raison, les solutions

mixtes 9 et 10, pompe à chaleur et pompe à chaleur avec déchargement direct, sont considérées

plus efficaces que les solutions 5, 6, 7 et 8. De plus, on considère les solutions 9 et 10 autant

efficaces l’une par rapport à l’autre.

Tableau 2.3 : Matrice partielle du critère d’efficacité

Mix

te 1

Mix

te 2

Mix

te 3

Mix

te 4

Mix

te 5

Mix

te 6

Mix

te 7

Mix

te 8

Mix

te 9

Mix

te 1

0

Mix

te 1

1

Mixte 1 0,5 0,5 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Mixte 2 0,5 0,5 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Mixte 3 0,5 0,5 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Mixte 4 0,5 0,5 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Mixte 5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 1,0 1,0 0,0

Mixte 6 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 0,5 1,0 1,0 0,0

Mixte 7 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0

Mixte 8 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 0,5 0,0 1,0 1,0 0,0

Mixte 9 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,5 0,0

Mixte 10 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0

0,0 0,5 0,0

Mixte 11 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Total 0,85 0,85 0,85 0,85 0,15 0,35 0,15 0,35 0,55 0,55 0,00

35

La principale différence au point de vue efficacité des solutions 5, 6, 7 et 8 est l’utilisation d’une ou

deux pompes selon la solution. Ainsi, les solutions mixtes 6 et 8, indirecte et série ou parallèle avec

un circuit caloporteur, sont plus efficaces que les solutions 5 et 7, utilisant deux circuits

caloporteurs. De plus, les solutions mixtes 6 et 8, 5 et 7 sont considérées égales l’une par rapport

à l’autre. Le tableau 2.3 résume ces résultats.

3. Contraintes opérationnelles

La solution mixte 11, dissipation de la chaleur, ne pose aucune contrainte opérationnelle due à sa

simplicité de fonctionnement. Pour cette raison, une note de 1,0 contre toutes les autres

configurations lui est donnée. Les solutions mixtes 1 et 2, directe série et parallèle, ne posent

aucun problème technique. Ainsi, une note de 1,0 leur est donnée contre les solutions mixtes 3 à

10 et une note de 0,5 l’une par rapport à l’autre.

La solution mixte 3, direct avec récupération de la chaleur des gaz d’échappement dans le

réservoir de stockage de chaleur, est notée 1,0 contre les solutions mixtes 4 à 10, car la

température de l’air comprimé sera facilement extraite lors de la compression et facilement

restituée lors de la restitution comparée aux autres solutions.

La solution mixte 10, pompe à chaleur avec déchargement direct, est la configuration qui risque

d’avoir le plus de contraintes opérationnelles. En effet, la chaleur sera lentement extraite du

réservoir d’air comprimé ce qui risque de réduire la quantité d’air pouvant être emmagasinée

durant une courte période de temps. De plus, ayant possiblement une faible baisse de température

de l’air comprimé, la différence de température entre celle-ci et le réservoir de stockage de chaleur

sera petite ce qui risque de diminuer le retour de la chaleur dans l’air comprimé lors de son

utilisation. Pour ces raisons, une note de 0,0 est donnée à cette solution contre toutes les autres

configurations.

Dans la solution mixte 4, réservoir d’air comprimé avec MCP jumelé, la température de stockage

de l’air comprimé sera sensiblement la même que celle du MCP. Dans le cas où cette température

est relativement élevée, autour de 60°C, le volume d’air occupé sera grand. Dans le cas où cette

température est basse, autour de 10°C, un grand risque de ségrégation et de détérioration cyclique

du MCP est probable dû à la différence de température entre l’air comprimé et le médium de

stockage de chaleur. Pour cette raison, une note de 0,0 est donnée à cette configuration contre les

solutions 5 à 8 et une note de 0,5 contre la solution 9, considérée comme ayant des contraintes

opérationnelles équivalentes.

La solution 9, pompe à chaleur, risque de ne pas refroidir suffisamment rapidement la température

de l’air comprimé en mode de chargement, ce qui augmentera le volume de stockage nécessaire.

36

De plus, lors de la phase de restitution, la température interne du réservoir d’air comprimé

diminuera grandement et la pompe à chaleur risque de ne pas pallier suffisamment à cette baisse

de température. Pour ces raisons, une notre de 0,0 lui est donnée contre les solutions mixtes 6 et

8. On considère que cette contrainte est moins importante que l’utilisation de deux circuits

caloporteurs tels qu’utilisés pour les configurations mixtes 5 et 7. Pour cette raison, une note de 1,0

est donnée à la solution 9 contre ces configurations. Utilisant deux circuits caloporteurs, les

configurations mixtes 5 et 7, indirecte série et parallèle avec deux circuits caloporteurs, sont notées

0,0 contre les solutions 6 et 8. De plus, elles sont considérées comme équivalentes au point de

vue des contraintes opérationnelles.

Finalement, les solutions mixtes 6 et 8 sont considérées équivalentes au point de vue des

contraintes opérationnelles. Une note de 0,5 l’une contre l’autre leur est attribuée. Le tableau 2.4

résume ces résultats.

Tableau 2.4 : Matrice partielle du critère de contraintes opérationnelles

4. Temps de réponse

Avec aucun système de récupération de chaleur, la solution mixte 11, dissipation de la chaleur, est

la configuration ayant le meilleur temps de réponse. En effet, cette solution est toujours à sa

Mix

te 1

Mix

te 2

Mix

te 3

Mix

te 4

Mix

te 5

Mix

te 6

Mix

te 7

Mix

te 8

Mix

te 9

Mix

te 1

0

Mix

te 1

1

Mixte 1 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 2 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 3 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 4 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 0,0 1,0

Mixte 5 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0 0,5 1,0 1,0 0,0 1,0

Mixte 6 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,5 0,0 0,0 1,0

Mixte 7 1,0 1,0 1,0 0,0 0,5 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0

Mixte 8 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 0,5 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 9 1,0 1,0 1,0 0,5 0,0 1,0 0,0 1,0 0,0 1,0

Mixte 10 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Mixte 11 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Total 0,85 0,85 0,70 0,15 0,25 0,55 0,25 0,55 0,35 0,00 1,00

37

puissance maximale. Pour cette raison, une note de 1,0 contre toutes les autres solutions lui est

attribuée.

Une pompe à chaleur est un élément qui n’a pas un bon temps de réaction. Pour cette raison, les

solutions 9 et 10, pompe à chaleur seule ou avec un déchargement direct, sont les plus lentes des

configurations proposées. Une note de 0,0 leur est attribuée contre les autres solutions. Puisque la

solution 10 n’utilise pas la pompe à chaleur lors du déchargement de l’air comprimé, celle-ci est

considérée comme plus rapide que la solution 9.

Avec un seul passage dans un échangeur de chaleur, dans le réservoir de stockage de chaleur, la

solution mixte 3, direct avec récupération de la chaleur des gaz d’échappement dans le réservoir

de stockage de chaleur, est la plus rapide des configurations 1 à 8. Pour cette raison, une note de

1,0 lui est attribuée contre ces autres solutions. Il en va de même avec la solution 4, réservoir d’air

comprimé avec MCP jumelé, qui est notée 1,0 contre les solutions 1, 2, 5, 6, 7 et 8 et 0,0 contre la

solution 3.

Utilisant une méthode de transfert de chaleur direct, les solutions 1 et 2, directe série et parallèle,

sont considérées plus rapides que les solutions 5 à 8. Pour cette raison, une note de 1,0 leur est

attribuée face à ces dernières et une note de 0,5 l’une contre l’autre.

Tableau 2.5 : Matrice partielle du critère de temps de réponse

Mix

te 1

Mix

te 2

Mix

te 3

Mix

te 4

Mix

te 5

Mix

te 6

Mix

te 7

Mix

te 8

Mix

te 9

Mix

te 1

0

Mix

te 1

1

Mixte 1 0,5 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 2 0,5 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 4 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 6 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 0,5 0,0 0,0 1,0

Mixte 7 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 1,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 8 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 0,5 0,5 0,0 0,0 1,0

Mixte 9 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Mixte 10 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0

Mixte 11 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Total 0,65 0,65 0,90 0,80 0,25 0,45 0,30 0,45 0,00 0,10 1,00

38

Afin de différencier les solutions 5 à 8, le nombre de circuits caloporteurs intermédiaires est

déterminant. Les solutions ayant le plus de circuits caloporteurs sont notées 0,0. En cas d’égalité,

une note de 0,5 est attribuée aux deux configurations. Le tableau 2.5 résume ces résultats.

5. Coût

Ayant moins de pièces et un réservoir de moins que les autres solutions, la solution mixte 11,

dissipation de la chaleur, est la plus économique à l’achat. De plus, aucun fluide n’est nécessaire

au bon fonctionnement de cette configuration. Pour ces raisons, une note de 1,0 lui est donnée

contre les dix autres solutions.

Utilisant une technologie existante et n’utilisant pas de pompe ou d’autres circuits caloporteurs, les

solutions mixtes 1 et 2 auront un prix d’achat inférieur aux solutions mixtes 3 à 10. Pour ces

raisons, une note de 1,0 leur est donnée. De plus, elles sont considérées comme égales l’une par

rapport à l’autre.

Les pompes à chaleur sont des machines thermiques dispendieuses relativement aux autres

solutions proposées. Pour cette raison, une note 0,0 est donnée aux solutions mixtes 9 et 10

contre toutes configurations. De plus, la solution mixte 10 devrait être plus dispendieuse que la

solution 9 due au besoin d’un double système de circulation de l’air comprimé dans le réservoir de

stockage de chaleur.

Les dernières solutions à évaluer pour le critère de coût sont les 3, 4, 5, 6, 7 et 8. De ces six

solutions, la solution 3, direct avec récupération des gaz d’échappement dans le réservoir de

stockage de chaleur, est la moins dispendieuse, car relativement aux solutions 5, 6, 7 et 8, elle ne

comporte aucune pompe ou fluide caloporteur autre que l’air comprimé. De plus, contrairement à la

solution 4, réservoir d’air comprimé avec MCP jumelé, la solution 3, ne nécessite aucune

modification du réservoir d’air sous pression, ce qui en diminue le coût de fabrication et de

conception. Cette dernière solution, configuration mixte 4, risque d’être plus dispendieuse que les

solutions 5, 6, 7 et 8 dues à cette difficulté de conception et de fabrication du réservoir sous

pression. Finalement, les solutions 5, 6, 7 et 8 sont évaluées par rapport au nombre de circuits

caloporteurs dont ils sont composés. Ainsi, les solutions 5 et 7 seront plus dispendieuses que les

solutions 6 et 8. Le tableau 2.6 résume ces résultats.

39

Mix

te 1

Mix

te 2

Mix

te 3

Mix

te 4

Mix

te 5

Mix

te 6

Mix

te 7

Mix

te 8

Mix

te 9

Mix

te 1

0

Mix

te 1

1

Mixte 1 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 2 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 3 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 4 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 5 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0 0,5 1,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 6 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,5 0,0 0,0 1,0

Mixte 7 1,0 1,0 1,0 0,0 0,5 1,0 1,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 8 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 0,5 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 9 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0

Mixte 10 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Mixte 11 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Total 0,85 0,85 0,70 0,20 0,35 0,55 0,35 0,55 0,10 0,00 1,00

Tableau 2.6 : Matrice partielle du critère de coût

6. Encombrement

N’ayant pas de réservoir de stockage de chaleur et n’ayant qu’un échangeur thermique à l’entrée

et à la sortie du réservoir d’air comprimé. La solution mixte 11, dissipation de la chaleur, occupera

moins d’espace que les dix autres solutions. Pour cette raison, une note de 1,0 lui est donnée.

Combinant le réservoir d’air comprimé et le réservoir de stockage de chaleur, la solution mixte 4,

réservoir d’air comprimé jumelé avec un MCP, prendra moins d’espace que les solutions ayant

deux réservoirs séparés. Pour cette raison, une note de 1,0 est attribuée contre les solutions 1, 2,

3, 5, 6, 7, 8, 9 et 10. Ces dernières solutions sont toutes composées d’un réservoir d’air comprimé

et d’un réservoir de stockage de chaleur distincts.

Ayant l’échangeur de chaleur des gaz d’échappement inclus dans le réservoir de stockage de

chaleur, la solution mixte 3, direct avec récupération des gaz d’échappement dans le réservoir de

stockage de chaleur, est considérée moins volumineuse que les solutions 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9 et 10

qui ont toutes des éléments externes aux deux réservoirs, soit un échangeur de chaleur au niveau

des gaz d’échappement, un circuit caloporteur entre certains éléments ou une pompe à chaleur.

Pour cette raison, la solution 3 reçoit la note de 1,0 face à ces solutions.

40

Utilisant un transfert de chaleur direct entre l’air comprimé et le médium de stockage de chaleur,

les solutions 1 et 2, direct et série ou parallèle, sont considérées moins encombrantes que les

solutions 5, 6, 7, 8, 9 et 10. En effet, ces dernières ont une plus grande quantité de tuyauterie et

d’éléments, échangeurs thermiques, pompe, pompe à chaleur, de plus que les solutions 1 et 2.

Pour ces raisons, une note de 1,0 est attribuée à ces deux solutions contre les six autres

mentionnées. De plus, les solutions mixtes 1 et 2 sont considérées comme utilisant le même

espace et une note de 0,5 leur est attribuée l’un contre l’autre.

Afin de comparer les solutions 5, 6, 7, 8, 9 et 10 les unes avec les autres, le nombre et la grosseur

des pompes utilisées sont mis en évidence. Avec une seule pompe simple, relativement à une

pompe à chaleur, les solutions 6 et 8 sont considérées comme moins encombrantes par rapport

aux quatre autres solutions. Ainsi, une note de 1,0 leur est donnée relativement aux solutions 5, 7,

9 et 10 et une note de 0,5 l’une par rapport à l’autre. Les solutions mixtes 9 et 10 sont considérées

moins volumineuses que les solutions 6 et 8 puisque ces dernières comportent deux circuits

caloporteurs. Ces solutions sont notées en conséquence. Le tableau 2.7 résume ces résultats.

Mix

te 1

Mix

te 2

Mix

te 3

Mix

te 4

Mix

te 5

Mix

te 6

Mix

te 7

Mix

te 8

Mix

te 9

Mix

te 1

0

Mix

te 1

1

Mixte 1 0,5 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 2 0,5 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 3 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 1,0 1,0 1,0

Mixte 6 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 0,5 0,0 0,0 1,0

Mixte 7 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Mixte 8 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 0,5 0,0 0,0 0,0 1,0

Mixte 9 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0 0,0 1,0 0,5 1,0

Mixte 10 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0 0,0 1,0 0,5 1,0

Mixte 11 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Total 0,65 0,65 0,80 0,90 0,05 0,45 0,05 0,45 0,25 0,25 1,00

Tableau 2.7 : Matrice partielle du critère d’encombrement

41

2.5.3 Matrice de décision globale

La dernière étape dans la détermination de la meilleure configuration d’un système de stockage de

chaleur pour un système JEDSAC est la matrice de décision globale. Celle-ci comprend l’évaluation

relative de chacune des configurations selon les six critères pondérés. La pondération des critères est

choisie en fonction de leur importance relative. La meilleure note possible est 1,0 et 0,0 est la plus faible.

Le tableau 2.8 montre les résultats.

Critères

Pon

déra

tion

Mix

te 1

Mix

te 2

Mix

te 3

Mix

te 4

Mix

te 5

Mix

te 6

Mix

te 7

Mix

te 8

Mix

te 9

Mix

te 1

0

Mix

te 1

1

Simplicité 0,25 0,213 0,213 0,150 0,100 0,075 0,163 0,025 0,138 0,050 0,000 0,250 Efficacité 0,20 0,170 0,170 0,170 0,170 0,030 0,070 0,030 0,070 0,110 0,110 0,000

Contraintes opérationnelles 0,15 0,128 0,128 0,105 0,023 0,038 0,083 0,038 0,083 0,053 0,000 0,150

Temps de réponse 0,15 0,098 0,098 0,135 0,120 0,038 0,068 0,045 0,068 0,000 0,015 0,150

Coût 0,15 0,128 0,128 0,105 0,030 0,053 0,083 0,053 0,083 0,015 0,000 0,150 Encombrement 0,10 0,065 0,065 0,080 0,090 0,005 0,045 0,005 0,045 0,025 0,025 0,100

Somme 1,00 0,800 0,800 0,745 0,533 0,238 0,510 0,195 0,485 0,253 0,150 0,800 Rang 1 1 2 3 7 4 8 5 6 9 1

Tableau 2.8 : Matrice de décision globale du choix de configuration

Nous constatons que les solutions mixtes 1, 2 et 11, soit les configurations directes en série et en

parallèle et la configuration avec dissipation de chaleur, se distinguent des autres solutions proposées.

Les configurations directes se distinguent principalement au niveau de la simplicité, de l’efficacité et du

coût. La configuration avec dissipation de la chaleur se distingue par sa simplicité, ses contraintes

opérationnelles pratiquement inexistantes, son faible temps de réponse, son coût et son faible

encombrement. Par contre, énergétiquement parlant, cette solution est sans intérêt puisque l’énergie

thermique est dissipée. Les autres systèmes sont plus compliqués, comportent des contraintes

opérationnelles importantes et ont, pour la plupart, un coût plus élevé. Pour ces raisons, nous retenons

les configurations directes en série et en parallèle et la configuration avec dissipation de chaleur comme

technologie de stockage de chaleur dans un système JEDSAC. Étant donné que trois solutions sont

proposées, chacune d’elles devra faire l’état d’une étude plus approfondie et le choix de l’une d’entre elle

se fera selon les contraintes de chaque projet. Par exemple, un projet dont l’efficacité énergétique est

plus ou moins importante n’utilisera pas la solution avec dissipation de chaleur, un projet nécessitant une

température de l’air comprimé maximale préférera la solution directe en série plutôt que celle en parallèle

et un projet nécessitant un contrôle précis de la température de l’air comprimé utilisera une configuration

directe en parallèle.

42

CHAPITRE 3 : STOCKAGE DE CHALEUR

3.1 Généralités

Dans une société où la demande en énergie devient de plus en plus grande et où les énergies

intermittentes, solaire, éolienne, nucléaire, etc. prennent de plus en plus de place, le besoin

d’emmagasiner l’énergie produite est très présent. Afin de pouvoir stocker l’énergie, il faut d’abord la

transformer sous une forme emmagasinable, puis la retransformer afin de pouvoir en disposer selon la

charge. La figure 3.1 illustre ce principe.

Figure 3.1 : Chaîne de conversion de l’énergie nécessaire pour le stockage [IBRH 2007]

Selon la nature de l’énergie emmagasinée, la puissance et la capacité requise, de nombreuses solutions

pour le choix de la technologie de stockage existent. Par exemple, une centrale thermique peut

emmagasiner plusieurs GWh sous forme de vapeur tandis qu’une montre-bracelet emmagasine

seulement quelques Wh. Ainsi, une étude sérieuse des diverses possibilités doit être faite pour chaque

situation où le stockage d’énergie se présente. Dans le cas d’un système hybride JEDSAC, le surplus

d’énergie de l’éolienne est emmagasiné sous forme d’air comprimé et l’énergie thermique dégagée lors

de la compression de l’air est emmagasinée sous forme de chaleur afin d’être restituée dans le système

lors de la décompression de l’air. La figure 3.2 montre le schéma complet du système JEDSAC avec

stockage de chaleur.

43

Figure 3.2 : Schéma complet du système JEDSAC avec stockage de chaleur

3.2 Historique

Le stockage de chaleur est utilisé depuis très longtemps. On pense en premier lieu à des pierres qui,

après avoir passé la soirée dans le un feu, sont transportées à proximité des lits pour garder les

occupants au chaud. Ou encore, les pierres entourant les cheminées pour permettre à la chaleur

dégagée par le feu d’être emmagasinée puis dissipée tranquillement même suite à l’extinction du feu. Ou

encore à la glace qui était enlevée des lacs et rivières gelés durant l’hiver et emmagasinés dans des

« maisons de glace ». Isolée avec du bran de scie, la glace restait disponible jusqu’à la fin de l’été. Plus

récemment, des camions de transport de produits réfrigérés utilisent le même principe, parfois avec des

mélanges de sel pour le transport des denrées sensibles à la chaleur. De nombreuses autres

expériences furent faites, mais le présent chapitre se concentrera sur les plus importants, notamment

ceux utilisant des matériaux à changement de phase (MCP) tels la maison Dover et le projet Solar One,

tous deux de l’initiative du Dr. Maria Telkes.

44

3.2.1 Dr. Telkes et la maison Dover

Comme toutes nouvelles technologies, certains ont exploré le domaine avant les autres. Il faut remonter

jusqu’à la fin de la Seconde Guerre mondiale avant de voir la première application pratique d’un système

de stockage thermique sous forme latente. Cet essai est attribué au Dr. Maria Telkes en association avec

le Research Associale in Metallurgy du Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.). La maison Dover,

nomination du projet, a été construite avec l’utilisation du sel de Glauber, un hydrate de sel reconnu pour

être l’un des meilleurs MCP, et consistait à utiliser l’énergie solaire pour tous les besoins de chauffage.

Telkes a conclu que le chauffage à l’énergie solaire ne pouvait être rentable que si aucune autre source

de chaleur n’était requise. De plus, la capacité du stockage devrait être d’une semaine afin qu’aucun

manque d’énergie ne se présente. Elle a examiné les enregistrements de température dans la région de

Boston qui ont démontré que six jours nuageux consécutifs dans le mois de décembre ne se sont

présentés qu’une fois en 14 ans et que cinq jours consécutifs arrivent environ un an sur deux. Dans sa

démarche, elle a également conclu que le volume d’eau, de roche ou d’un autre matériau de stockage

nécessaire à la maison pour tenir une semaine était extrêmement élevé et que le sel de Glauber offrait

une alternative abordable et beaucoup moins encombrante.

Afin de continuer les recherches, le Dr. Hoyt du département de génie chimique du M.I.T. lui a prêté

main-forte en mettant au travail des étudiants à l’évaluation de divers matériaux. Le sel de Glauber a vite

montré que la fusion incongruente5 allait être un gros problème. Ses essais pour résoudre le problème

furent sans succès. Malgré les échecs du Dr. Hoyt, Telkes décida de construire tout de même une

maison solaire à 100 %. La maison fût construite en tant que projet privé à environ 15 miles de Boston.

Avec une superficie habitable de 135 m2, 18 collecteurs solaires couvrant 67 m2, la maison Dover était

prometteuse. La chaleur était récupérée par des conduites d’air circulant derrière les collecteurs et était

emmagasinée dans des réservoirs de cinq gallons remplis de sel de Glauber. La capacité théorique du

système était de 11 MJ. La radiation thermique avant tendance à garder la salle chaude. De plus, la

maison était équipée d’un foyer à bois pour l’esthétique et non comme source de chaleur alternative.

Suffisamment de MCP étaient utilisés pour stocker de la chaleur pour 12 jours consécutifs à une

température de 21 °C. La température de stockage des 13,3 m3 de sel de Glauber était de 32 °C. L’unité

de stockage thermique a été installée à un coût total de 3000 $.

Afin de vérifier la fonctionnalité de la maison, une famille de six personnes emménagea. Rudement mis à

l’épreuve durant le premier hiver, le système de chauffage solaire tint le coup. C’est au milieu du

troisième hiver que les problèmes commencèrent. La séparation du sel de Glauber en couches

déshydratées fût observée, perdant ainsi toute sa capacité de stockage. De plus, les contenants

montraient beaucoup de corrosion et quelques fuites. Suite à cet échec, un système de chauffage 5 Précipitation lors de la fusion

45

électrique fut installé. Deux ans après, une chaudière à mazout fût installée et le système solaire fût

enlevé [LAN 1993].

Figure 3.3 : Première maison utilisant des MCP comme stockage d’énergie solaire [LAN 1993]

3.2.2 Solar One

En 1973, le Dr. Telked remettait l’expérience d’une maison solaire autonome en chaleur. La maison fut

construite à l’Université du Delaware. L’objectif était d’emmagasiner du froid avec du pentahydrate de

thiosulfate de sodium comme MCP. La capacité théorique du système de stockage était de 1,5 MJ et

comprenait 3200 kg de Na2S2O3·5H2O encapsulés dans de petits contenants de plastique ABS (0.3 m de

diamètre et 1.8 m de long). Afin de charger les MCP, une pompe à chaleur fonctionnait durant les heures

« hors pointe ». Durant les premières années, le système atteignait un excellent pourcentage de la

46

capacité théorique. Par contre, quelques contenants étaient incorrectement scellés et la perte d’eau des

MCP réduisit la capacité de stockage. Solar One est toujours en opération expérimentale, de

développement et de démonstration [LAN 1993].

3.3 Méthodes de stockage de chaleur

Trois principaux principes peuvent être utilisés pour emmagasiner de la chaleur. Le premier utilise la

capacité calorifique d’un matériau en augmentant sa température. On nomme cette technique le stockage

d’énergie sous forme de chaleur sensible. Le deuxième utilise la chaleur latente d’un matériau, c'est-à-

dire l’énergie nécessaire à un corps de changer de phase, que ce soit de solide à liquide, de liquide à

gazeux ou encore d’une configuration de solide à une autre. Ces deux principes attireront principalement

notre attention au cours de ce rapport, car de nombreuses études ont été faites sur le sujet et ils ont

démontré une bonne capacité à être utilisés dans une application courante.

Le troisième principe utilise le besoin ou la restitution de la chaleur d’une réaction chimique inversible

[DIN 2002]. Cette technique est encore profondément ancrée dans les laboratoires de recherche et n’est

pas suffisamment mature pour être considérée [HAL 2000].

3.4 Stockage par chaleur sensible

3.4.1 Généralités

Un système de stockage de chaleur par chaleur sensible utilise la capacité thermique d’un matériau,

c’est-à-dire sa chaleur spécifique, afin d’emmagasiner de l’énergie. La quantité totale d’énergie pouvant

ainsi être emmagasinée peut être exprimée sous la forme :

2

1

T

p

T

E m c dT= ∫

où m est la masse, Cp la chaleur spécifique à pression constante, T1 et T2 la basse et haute température

de stockage. De plus, aucun changement de phase n’apparaît en cours de fonctionnement. Afin qu’un

matériau soit reconnu comme potentiel utilisable comme médium de stockage de chaleur sous forme

sensible, il doit répondre aux critères suivants [HAS 1998] :

47

• Chaleur spécifique élevée,

• Stabilité à long terme avec cycles thermiques6,

• Compatibilité avec son contenant7,

• Faible coût.

Les principaux matériaux utilisés se retrouvent sous forme liquide ou solide. On note notamment l’eau,

avec ou sans ajout, des huiles à base de pétrole, de la roche, des métaux et de la fonte. Une revue de

chacun de ces matériaux sera faite dans cette section. On retrouve également les caractéristiques

thermophysiques de ces matériaux dans l’annexe B.

3.4.2 Matériaux liquides

Les matériaux liquides sont de bons candidats pour un système de stockage de chaleur sous forme

sensible. En effet, leur état liquide permet généralement une meilleure intégration au système d’échange

de chaleur. De plus, la vitesse de restitution de la chaleur est généralement plus élevée due aux effets

convectifs qui se produisent à l’intérieur du liquide. Cette caractéristique spécifique aux matériaux

liquides leur procure par contre une plus grande autodécharge, résultant en une plus faible autonomie

pour une puissance donnée. Les principaux liquides utilisés sont l’eau et les huiles thermiques.

3.4.2.1 Eau

Étant un des matériaux les plus accessibles et abondant au monde, l’eau a vite été considérée pour une

utilisation de stockage thermique sous forme sensible. L’essai a été concluant pour certaines situations,

car son utilisation comporte de nombreux avantages. Par contre, certains inconvénients font que d’autres

matériaux peuvent y être préférés dans certains systèmes.

Le tableau 3.1 résume les avantages et inconvénients de l’utilisation de l’eau dans un système de

stockage de chaleur sous forme sensible [HAS 1998].

6 Plus de 1000 cycles thermiques (1cycle = stockage et restitution complets de chaleur)

7 Aucune corrosion ni détérioration prématurée

48

Avantages Inconvénients

Haute efficacité Autodécharge élevée

Chaleur spécifique élevée

Pression de vapeur élevée

Stratification thermique (figure 3.1)

Corrosif à certains contenants

Faible coût

Très disponible

Très documenté

Aucune détérioration

Tableau 3.1 : Avantages et inconvénients de l’eau comme stockeur de chaleur

Figure 3.4 : Stratification thermique dans un réservoir d’eau chaude

3.4.2.2 Huiles

Les plus communs des matériaux liquides, après l’eau, pour un système de stockage thermique sous

forme sensible. La chaleur spécifique de certaines huiles est de 25 à 40 % plus élevée que celle de l’eau.

Ils ont également une plus basse pression de vapeur ce qui permet de les utiliser à une température de

fonctionnement plus élevée. Les deux principales huiles qui ont retenu l’attention pour une application de

stockage de chaleur sont le Therminol et la Caloria-HT. Le tableau 3.2 résume les avantages et

inconvénients des huiles [DUF 1989], [HAS 1998].

Avantages Inconvénients

Chaleur spécifique élevée Très dispendieux

Non-corrosif aux contenants

Toxique pour l’environnement

Disponible Inflammable

Faible pression de vapeur

Température de fonctionnement élevée

Tableau 3.2 : Avantages et inconvénients de l’huile comme stockeur de chaleur

49

3.4.3 Matériaux solides

Les matériaux solides sont de bons candidats pour une application de stockage thermique. On not

notamment la roche, le conglomérat, le sable, les briques, les métaux, etc. L’énergie est emmagasinée à

basse température. De plus, aucune fuite en cas de bris du contenant ne peut arriver et ils n’ont aucun

problème dû à la pression de vapeur comme c’est le cas avec l’eau. Le meilleur candidat de matériaux

solides pour le stockage thermique est la fonte, sa densité d’énergie est plus élevée que l’eau [HAS

1998]. Cependant, la fonte est très dispendieuse et d’autres matériaux sont généralement préférés pour

leur coût inférieur. Un autre candidat de premier choix est la roche. Utilisée sous forme de lit de pierre,

l’énergie peut y être emmagasinée en laissant le fluide caloporteur circuler directement entre les pierres

ou par le biais d’un échangeur thermique. Un dernier type de matériaux à considérer est les métaux. Ils

ont l’avantage d’avoir une excellente conductivité thermique et peuvent résister à de très hautes

températures. Leur utilisation est considérée généralement dans des applications nécessitant une

conductivité thermique élevée. Les résidus industriels de cuivre, de fer, de fonte et d’aluminium sont de

bons exemples de métaux potentiels [HAS 1998]

3.4.3.1 Roches, béton et briques

Ayant des caractéristiques très rapprochées, les roches, le béton et les briques forment une catégorie à

haut potentiel d’utilisation comme matériaux dans un système de stockage thermique sous forme

sensible. En effet, leur stabilité à long terme, leur disponibilité et leur prix abordable en font de bons

candidats. Par contre, leur faible conductivité thermique ainsi que leur faible chaleur spécifique font que

d’autres matériaux leur soient souvent préférés. Le tableau 3.3 résume leurs avantages et inconvénients.

Avantages Inconvénients

Excellente stabilité cyclique

Faible chaleur spécifique

Chimiquement stable Faible conductivité thermique

Disponible Abordable

Tableau 3.3 : Avantages et inconvénients de la roche, du béton et des briques comme stockeur de chaleur

3.4.3.2 Métaux

La principale caractéristique qui fait que les métaux puissent être intéressants pour un système de

stockage de chaleur sous sensible est leur grande capacité thermique. Celle-ci leur permet une

50

absorption rapide de la chaleur, mais également une dissipation rapide, ce qui implique une grande

autodécharge, une faible autonomie et une efficacité réduite. Pour ces raisons, ils seront principalement

utilisés dans des applications de courte durée. Le Tableau 3.4 résume leurs avantages et inconvénients.

Avantages Inconvénients

Conductivité thermique élevée Très dispendieux

Chimiquement stable Disponible Recyclable

Tableau 3.4 : Avantages et inconvénients des métaux comme stockeur de chaleur

3.5 Stockage par chaleur latente

3.5.1 Généralités

L’implantation d’un élément de stockage d’énergie par chaleur latente (ESECL) dans une centrale

hybride de type JEDSAC se fait en trois principales étapes telle que décrite par J. Millette [MIL 1999] :

� choix d’un MCP,

� choix d’un contenant

� et choix d’un échangeur thermique.

La figure 3.5 montre la méthodologie de conception qui devrait être utilisée pour un ESECL. L’approche

de ce type de projet peut en effet faire une très grande différence sur la réussite ou l’échec [MIL

1999].C’est pourquoi seule la partie du choix de MCP sera analysée dans le présent chapitre, mais

différentes configurations envisageables pour l’échangeur de chaleur seront présentées.

Selon la revue de la littérature basée sur les travaux de [ABH 1983], [KEN 2006], [HEI 2006], les

caractéristiques suivantes représentent les critères de choix des matériaux pour toutes applications de

stockage thermique sous forme latente.

• Température de fusion convenant à la nature de l’application

• Chaleur de fusion élevée par unité de volume

• Chaleur spécifique élevée par unité de volume

• Faible changement de volume durant la transition de phase

• Conductivité thermique élevée

• Stabilité cyclique8

8 Pour plus de 1000 cycles thermiques

51

• Aucune ségrégation9

• Aucune ou peu de surfusion10

• Basse pression de vapeur à la température de fonctionnement

• Ininflammable

• Inoffensif pour la santé

• Non corrosif

• Abordable et disponible

• Maturité de la technologie

I

Figure 3.5 : Organigramme de conception d’un ESECL [MIL 1999]

Les MCP peuvent être regroupés en trois principales catégories :

� les matériaux ayant un changement de phase solide-solide,

� les matériaux ayant un changement de phase solide-liquide

� et les matériaux ayant un changement de phase liquide-gazeux.

Le tableau 3.5 résume les caractéristiques des trois catégories de MCP. Chacune de ces catégories sera

analysée quant à une possible utilisation dans un système de stockage de chaleur sous forme latente.

9 Séparation des substances

10 État de matière qui demeure en phase liquide alors que sa température est inférieure à son point de solidification

52

Caractéristiques Solide-solide Solide-liquide Liquide-gaz Température de fusion Hors application Grande plage Élevée Changement de volume Négligeable Léger Très Élevé

Matériaux disponibles Peu de matériaux

identifiés Oui Oui

Technologie à point Non Oui Plus ou moins

Tableau 3.5 : Résumé des trois types de MCP

3.5.1.1 MCP solide-solide

La chaleur de fusion d’un matériau est une caractéristique importante qui doit être prise en considération

dans les applications de stockage d’énergie sous forme latente. Actuellement, très peu de matériaux

ayant un changement de phase solide-solide destiné pour le stockage thermique sont connus [HAS

1998], [SHA 1980]. De plus, les températures de transition sont généralement en dehors de l’écart de

température souhaitée pour une application JEDSAC.

3.5.1.2 MCP liquide-gazeux

Bien que la chaleur des matériaux à changement de phase liquide-gazeux soit très élevée, ceux-ci ne

peuvent être considérés pour une application de stockage thermique, car ils ont une différence de volume

significatif lors de la transition [ABH 1983], [HAS 1998], [SHA 1980].

3.5.1.3 MCP solide-liquide

Les matériaux à changement de phase liquide-solide sont les plus prometteurs pour une application de

stockage d’énergie sous forme de chaleur. En effet, ils ont une bonne chaleur de fusion sur une faible

plage de température. De plus, la variation de volume lors de la transition de phase est acceptable [HAS

1998]. Pour ces raisons et par le fait que les deux autres types de changement de phase ne peuvent

satisfaire les critères de sélection de matériaux à changement de phase, ce type de matériau est le

meilleur choix possible.

3.5.2 MCP solide-liquide

Selon la littérature, trois principaux types de matériaux à changement de phase liquide-solide peuvent

être utilisés :

53

� matériaux de type organique

� matériaux de type inorganique

� et la glace.

Afin de choisir la meilleure technologie pour le système hybride éolien-diesel-stockage d’air comprimé

(JEDSAC), nous étudions d’une manière plus approfondie ces matériaux, en subdivisant chacune des

catégories précédentes telles qu’illustrées à la figure 3.6. À ceux-ci s’ajoute la glace, un MCP bien connu

et déjà utilisé dans la climatisation de grands immeubles.

Figure 3.6 : Classification des MCP [ABH 1983]

3.5.2.1 MCP Organiques

Cette catégorie comprend les paraffines, les non-paraffines (acides gras, ester, glycol) et les polyalcools.

Dans cette étude, nous les regroupons en deux principales catégories, les paraffines et les acides gras,

les autres non-paraffines étant ignorées, car ils sont très peu disponibles sur le marché. Le tableau 3.6

résume les avantages et inconvénients de ces MCP organiques [BRU 2004], [CAB 2007], [HAS 1998],

[HEI 2006], [KEN 2006], [MIL 1999].

Afin d’améliorer la conductivité thermique, il est possible d’ajouter aux MCP organiques des particules

métalliques, d’utiliser des matrices métalliques, des tubes à ailettes ou encore de les encapsuler dans de

petites sphères (voir figure 3.7 et 3.8 [CRI]). Les techniques pour améliorer le stockage et le déstockage

de la chaleur seront présentées plus en détail dans la section 3.5.3.

54

Figure 3.7 : Encapsulation de MCP

Figure 3.8 : Configuration typique de capsules

Tableau 3.6 : Avantages et inconvénients des MCP organiques

3.5.2.2 MCP Inorganiques

Les MCP inorganiques comprennent principalement les hydrates de sel, les métaux et les alliages. Vu

leur haute conductivité thermique et leur faible capacité thermique, augmentant les pertes, les métaux et

alliages n’ont pas été considérés comme ESECL potentiel. Le tableau 3.7 résume les avantages et

inconvénients des hydrates de sels [BRU 2004], [CAB 2007], [HAS 1998], [HEI 2006], [KEN 2006], [MIL

1999].

11 Donnée typique des MCP organiques [HAS 1998]

12 Paraffines techniques seulement

Paraffine Acides gras

Avantages Inconvénients Avantages Inconvénients

Chimiquement stable et inerte

Faible chaleur de fusion (≈190KJ/kg)11 Aucune surfusion Faible chaleur de

fusion

Aucune ségrégation de phase

Grand changement de volume

Faible pression de vapeur

Odeurs fortes possibles

Surfusion négligeable Faible conductivité thermique

Grande plage de température de fusion

Faible conductivité thermique

Faible pression de vapeur Coût élevé des substances pures Non abordable

Auto-nucléant Inflammable Non corrosif

Disponible commercialement

Coût raisonnable12 Recyclable

Grande plage de température de fusion

55

Afin de stabiliser et d’améliorer la surfusion et la ségrégation des hydrates de sels, des agents nucléants

peuvent y être ajoutés. Ces techniques ont fait l’objet de beaucoup d’études et quelques-unes sont près

d’être utilisées à grande échelle, par exemple le sel de Glauber, Na2SO4·10H20, l’hyposulfite,

Na2S2O3·5H2O, et le Na2HPO4·12H2O qui ont eu une forte attention aussi loin que le début des années

1980 [SHA 1980]. Actuellement, le sel de Glauber peut être stabilisé pour l’utilisation dans un système de

stockage de chaleur sous forme latente [GOK 2001]. De même pour l’hexahydrate de chloride de

calcium, CaCl2·6H2O, l’hexahydrate de chloride de magnésium MgCl2·6H2O et l’hexahydrate de nitrate de

magnésium Mg (NO3)2·6H2O qui ont fait leur preuve. De plus, au moins deux compagnies sont connues

pour avoir mis sur le marché un MCP d’hydrate de sel reconnu stable après un grand nombre de cycles

et encapsulé dans de petites sphères [FAR 2004], Cristopia (France) [CRI] et EPS ltd (Angleterre) [EPS].

Hydrates de sel

Avantages Inconvénients

Chaleur de fusion élevée (≈230KJ/kg)13 Chimiquement instable

Conductivité thermique élevée Corrosif au métal

Ininflammable Surfusion

Potentiellement recyclable Ségrégation

Coût le plus bas

Disponible commercialement

Grande plage de température de fusion

Tableau 3.7 : Avantages et inconvénients des hydrates de sel

3.5.2.3 Glace

Traitée généralement comme tout autre MCP ayant une température de fusion de 0 °C, la glace est

principalement utilisée dans les systèmes de climatisation des grands édifices. Durant la nuit, lorsque le

coût de l’électricité est le plus bas, de la glace est formée et entreposée dans de grands réservoirs.

Quand la demande devient plus élevée et lorsque le coût de l’électricité augmente, la glace fond et

abaisse la température de l’air avant qu’elle soit envoyée dans le circuit d’aération des bâtiments. On

retrouve son utilisation sous les mêmes formes que les autres MCP et également sous forme de boue.

Ce dernier principe consiste en un mélange d’eau et de glace qui est pompé dans un circuit d’échangeur

de chaleur avec l’air ambiant. Le tableau 3.8 résume les avantages et inconvénients de l’utilisation de la

glace comme MCP.

13 Donnée typique des matériaux inorganiques [HAS 1998]

56

Glace

Avantages Inconvénients

Chaleur de fusion élevée Surfusion

Aucune ségrégation Température de fusion de 0°C

Disponible

Abordable

Aucune surfusion

Recyclable

Chimiquement stable

Ininflammable

Tableau 3.8 : Avantages et inconvénients de la glace

3.5.3 Échangeurs de chaleur

Que ce soit un MCP organique, inorganique ou de la glace, les mêmes techniques d’intégration à un

système sont généralement utilisées. On note principalement les géométries suivantes :

� des capsules ayant un diamètre d’environ 3 cm,

� des cylindres minces,

� et des plaques planes remplies de MCP.

Chacune de ces techniques fera l’objet d’une brève description et d’une énumération de quelques

travaux sur la configuration. On retrouve également dans la littérature des documents de comparaison de

ces diverses géométries comme [JIL 2007]. Il est également à noter que ces géométries ne sont pas

uniques et que d’autres sont possibles.

3.5.3.1 Capsules sphériques

Une méthode couramment adoptée pour encapsuler les MCP consiste à utiliser de petites sphères telles

que présentées à la figure 3.7. Ces sphères sont généralement intégrées dans un réservoir de grande

dimension, voir la figure 3.9. Généralement, le fluide caloporteur passe directement autour des sphères.

Dans la littérature, on trouve un grand nombre de simulations et d’expérimentations de systèmes avec

des sphères de MCP, notamment Benmansour [BEN 2001], Hawlader [HAW 2002], Koizumi [KOI 2004],

Shiina [SHI 2005] et Lacroix [LAC 2006] qui ont modélisé et expérimenté un tel système.

57

Figure 3.9 : Réservoir contenant des capsules de MCP modélisé par Hawlader [HAW 2002]

3.5.3.2 Cylindres

Une autre méthode couramment utilisée est le transport du fluide caloporteur dans un cylindre passant

dans un certain volume de MCP. Le module peut n’avoir qu’un seul cylindre ou plusieurs. Les figures

3.10 et 3.11 illustrent ces principes. La littérature montre de nombreuses études numériques et

expérimentales sur le sujet : Charach [CHA 1996], Ismail [ISM 1997] et [ISM 1998], Yanbing [YAN 1999]

et El Qarnia [ELQ 2005].

Figure 3.10 : Schéma d’une configuration cylindrique contenant un MCP [YAN 1999]

Figure 3.11: Schéma d’une configuration à multiple cylindre [ISM 1998]

58

3.5.3.3 Plaques planes

De nombreux essais numériques et expérimentaux ont été faits sur des configurations dites de plaques

planes. Les figures 3.12 et 3.13 illustrent des configurations différentes possibles. On note notamment

Lacroix [LAC 1998] [LAC 1999], Millette [MIL 1999] et Marin [MAR 2005] qui ont travaillé sur le sujet.

Figure 3.12 : Schéma d’une configuration d’échangeur à plaques minces [MAR 2005]

Figure 3.13 : Deuxième schéma d’une configuration d’échangeur à plaques minces [MIL

1999]

3.6 Choix d’un matériau de stockage

3.6.1 Généralités

Comme suite à la présentation des divers matériaux potentiels pour stocker de l’énergie sous forme de

chaleur, le choix d’un matériau par type de stockage s’impose. Pour ce faire, une matrice de décision

globale comprenant tous les matériaux traités de chaque type sera présentée, voir tableau 3.23, en se

basant sur les critères suivants en ordre d’importance : efficacité, coût, capacité calorifique,

autodécharge, autonomie, encombrement et sécurité et impacts sur l’environnement. Chacun de ces

critères sera pondéré selon son importance et une matrice élémentaire sera montée selon les données

disponibles. La méthodologie consiste à attribuer aux matériaux une valeur variant entre 0, 0.5 et 1 selon

l’importance relative basée sur la performance des systèmes (0 signifiant inférieur, 0.5 égal et 1

supérieur).

Il est à noter que la disponibilité du matériau, bien que primordiale dans ce projet, n’est pas évaluée ici,

car dans chacune des catégories on retrouve au moins un élément sur le marché. Ceci aurait pu être un

problème principalement pour les MCP, mais de nombreuses compagnies offrent un large éventail de

produits : Cristopia (France) [CRI], EPS ltd (Angleterre) [EPS] et TEAP Energy (Australie) [TEA] en sont

59

des exemples. La figure 3.14 montre quatre produits distribués par ces compagnies et le tableau C1 en

annexe montre de nombreux produits disponibles.

Figure 3.14 : Exemples de MCP disponibles sur le marché [KEN 2006]

Il faut également noter que la stabilité cyclique n’est pas évaluée dans cette étude, car on considère que

si le matériau est disponible commercialement, ce problème spécialement caractéristique des hydrates

de sel a été résolu. Pour les matériaux à stockage sensible tel l’eau, l’huile, la roche et les métaux, la

durée de vie est de loin supérieure à celle d’une éolienne, ce qui rend l’évaluation de ce critère inutile. La

figure 3.15 montre qu’un élément de paraffine encapsulé garde ses propriétés géométriques même après

1000 cycles thermiques [HAW 2002].

Dans le cas des MCP, la température de fusion n’a pas été évaluée, car aucun système n’a encore été

conçu. Par contre, on sait que les MCP organiques et inorganiques offrent une large plage de

température de fusion possible. Pour la glace, une température de fusion de 0º C pourrait devenir

problématique si cette température de fonctionnement ne peut être optimale pour un système JEDSAC.

L’évaluation n’en tiendra pas compte et une révision du choix devra être faite le cas échéant.

60

Figure 3.15 : Paraffine micro-encapsulée évaluée par microscope à électron après différents cycles thermiques

3.6.2 Critères d’évaluation

Le choix de la technologie candidate pour le système JEDSAC doit se baser sur des critères bien établis.

C’est pourquoi une description exhaustive de chacun d’eux est faite. Ces définitions sont basées sur le

travail d’Hussein Ibrahim [IBR 2008].

3.6.2.1 Efficacité

L’efficacité est le rapport entre l’énergie délivrée et celle emmagasinée, ut st

E Eη = . Son expression est

des plus simples, mais lorsqu’il faut l’évaluer, les pertes en charge et les pertes à vide ou autodécharge

doivent être comptabilisées. L’efficacité doit donc être basée sur un ou plusieurs cycles réalistes

relativement à l’application. De plus, l’efficacité varie en fonction du point de fonctionnement et de l’état

de charge. La conductivité thermique sera le critère le plus important dans l’évaluation de l’efficacité, plus

un matériau est conductif, plus son efficacité en sera affectée.

61

3.6.2.2 Coût

Lors d’un investissement, le plus intéressant pour un investisseur est que la somme des gains soit

supérieure à la somme des coûts. Pour ce faire, il faut que le coût global sur le cycle de vie soit le plus

bas possible. Ceci ne signifie pas nécessairement que le moins dispendieux à l’investissement ait le plus

bas prix à long terme. Puisque l’on considère que tous les matériaux proposés ont une durée de vie

supérieure à celle du système, seul le coût d’investissement sera évalué dans le cadre de ce travail.

3.6.2.3 Capacité calorifique

La capacité calorifique représente la quantité d’énergie pouvant être disponible dans le matériau une fois

chargé. Pour les matériaux à stockage sous forme sensible, on l’évalue en comparant les chaleurs

spécifiques. Un matériau ayant une bonne capacité calorifique a une chaleur spécifique élevée. Pour les

MCP, on compare les chaleurs de fusion, qui représentent la quantité d’énergie pouvant être

emmagasinée durant le changement de phase. On note que les pertes et la limite de décharge ne sont

pas considérées dans cette évaluation. La figure 3.16 montre des résultats expérimentaux de la quantité

d’énergie emmagasinée dans un élément de stockage thermique par plaques durant deux cycles

thermiques.

Figure 3.16 : Capacité calorifique d’un ESECL durant deux cycles thermiques [MIL 1999]

3.6.2.4 Autodécharge

L’autodécharge est la proportion des pertes dissipées en un temps donné sans utilisation par rapport à

l’énergie totale contenue dans le stockeur. Le premier point à vérifier sera la conductivité thermique.

Cette caractéristique est déterminante dans la comparaison des matériaux. En effet, plus un matériau a

62

une affinité à conduire la chaleur, plus il aura tendance à la dissiper en dehors du temps de

fonctionnement. Le deuxième point est relatif à l’état du matériau, solide ou liquide. On sait que les

transferts thermiques par convection sont plus grands que les transferts thermiques par conduction.

Ainsi, un matériau liquide aura une plus forte tendance à l’autodécharge qu’un matériau solide.

3.6.2.5 Vitesse de restitution

La vitesse de restitution est la capacité à fournir une grande puissance lors de la phase de décharge du

système.

Bien que la géométrie ait un très grand effet sur la vitesse de restitution, elle n’est pas intrinsèque aux

matériaux. Pour cette raison, la conductivité thermique sera la caractéristique déterminante d’un matériau

quant à sa rapidité potentielle de restitution de l’énergie emmagasinée.

3.6.2.6 Encombrement

L’encombrement est défini par le volume (parfois la masse) occupé par un matériau pour stocker une

certaine quantité d’énergie.

Les matériaux à stockage de chaleur sous forme sensible seront évalués en fonction de leur capacité

calorifique volumique, donc de la quantité d’énergie pouvant être stockée dans un volume unitaire pour

chaque degré Kelvin de variation de température. Pour les MCP, ce critère sera évalué en comparant les

volumes relatifs des matériaux par rapport à la glace pour stocker une quantité fixe d’énergie telle que

décrite par SM Hasnain [HAS 1998].

Il est également possible de déterminer l’encombrement en fonction de l’enthalpie massique ou

volumique d’un matériau. La figure 3.17 montre graphiquement la comparaison des enthalpies en

fonction de la température d’un composé de trihydrate d’acétate de sodium avec et sans graphite, d’une

paraffine dont la température de fusion est d’environ 58 °C et de l’eau. On observe que la paraffine fond

sur un intervalle de température et non à une température précise. Ceci est dû à la variation des

longueurs de chaines de carbone composant la paraffine [HEI 2006].

63

Figure 3.17 : Enthalpie spécifique en fonction de la température pour différents matériaux, par unité de masse (kJ/kg) à gauche et par unité de volume (kJ/dm3) à droite [HEI 2006]

3.6.2.7 Sécurité et impacts sur l’environnement

Ce critère, bien que n’apportant rien au fonctionnement du système de stockage, doit absolument être

considéré dans une application à vocation écologique. La toxicité du matériau, son impact sur

l’environnement et la possibilité de recyclage après la vie utile seront sur quoi les matériaux seront

évalués.

3.6.3 Comparaison des matériaux de stockage sous forme sensible

Les quatre matériaux retenus pour la comparaison sont l’eau, les huiles, la roche et les métaux. Chacun

sera évalué par rapport aux sept critères de choix dans une matrice comparative.

Critère 1 : Efficacité

Avec la conductivité thermique la plus élevée, les métaux se trouvent inférieurs aux autres matériaux

quant à l’efficacité thermique pour un système de stockage de chaleur. La même réflexion est faite pour

les roches qui, étant les plus isolantes, ont la meilleure efficacité. L’eau et les huiles sont quant à eux

considérées égales pour leur conductivité thermique très rapprochée et la grande possibilité qu’elle varie

selon les additifs utilisés. Le tableau 3.9 résume ces résultats.

64

Eau Huiles Roches Métaux Eau 0,5 1 0

Huiles 0,5 1 0 Roches 0 0 0 Métaux 1 1 1

Total 1,5 1,5 3 0

Tableau 3.9 : Matrice élémentaire du critère d’efficacité du stockage sensible

Critère 2 : Coût

L’eau a un coût nul et est ainsi supérieure aux trois autres matériaux pour le critère du coût. De même,

les roches ont un prix bien moindre que les huiles et les métaux. Ces deux derniers sont considérés

comme égaux quant à ce critère, car leur prix très élevé ne peut être comparé qu’en choisissant un seul

matériau de chaque catégorie. Le tableau 3.10 résume ces résultats.

Eau Huiles Roches Métaux

Eau 0 0 0 Huiles 1 1 0

Roches 1 0 0 Métaux 1 1 1

Total 3 1 2 0

Tableau 3.10 : Matrice élémentaire du critère de coût du stockage sensible

Critère 3 : Capacité calorifique

L’ordre croissant de chaleur spécifique des matériaux va comme suit : Huiles, eau, roches et métaux. Voir

l’annexe A pour les valeurs de la capacité thermique. Ainsi, le classement de la capacité de stockage est

le même et les résultats comparatifs sont illustrés dans le tableau 3.11.

Eau Huiles Roches Métaux

Eau 1 0 0 Huiles 0 0 0

Roches 1 1 0 Métaux 1 1 1

Total 2 3 1 0

Tableau 3.11 : Matrice élémentaire du critère de capacité calorifique du stockage sensible

65

Critère 4 : Autodécharge

Avec la conductivité thermique la plus élevée, les métaux sont les matériaux potentiels à être utilisés

dans un système de stockage thermique sous forme sensible et les plus problématiques au point de vue

de l’autodécharge. En effet, avec une telle facilité de conduire la chaleur, une grande quantité d’isolation

serait nécessaire à maintenir l’énergie emmagasinée sur une longue période. Ainsi, les roches sont les

matériaux ayant la plus grande aptitude à conserver l’énergie avec sa petite conductivité thermique. Pour

ces raisons, les roches ont un total de 3 et les métaux de 0. Pour les huiles et l’eau, les premiers ont une

meilleure conductivité thermique et sont considérés comme inférieurs à l’eau pour le critère

d’autodécharge. Le tableau 3.12 résume ces résultats.

Eau Huiles Roches Métaux

Eau 0 1 0 Huiles 1 1 0

Roches 0 0 0 Métaux 1 1 1

Total 2 1 3 0

Tableau 3.12 : Matrice élémentaire du critère d’autodécharge du stockage sensible

Critère 5 : Vitesse de restitution

Avec une très grande conductivité thermique, les métaux sont les matériaux ayant le plus fort potentiel

pour de grandes vitesses de restitution de l’énergie emmagasinée. Pour cette raison, ils se voient

attribuer une note de 3 au total. Au contraire, les roches ont une capacité isolante supérieure aux autres

matériaux potentiels. Ainsi, une note de 0 lui est attribuée. L’eau et les huiles sont considérées à égalité,

car leur conductivité thermique est près l’une de l’autre et peut varier selon les additifs. Le tableau 3.13

résume ces résultats.

Eau Huiles Roches Métaux

Eau 0,5 0 1 Huiles 0,5 0 1

Roches 1 1 1 Métaux 0 0 0

Total 1,5 1,5 0 3

Tableau 3.13 : Matrice élémentaire du critère de vitesse de restitution du stockage sensible

66

Critère 6 : Encombrement

Avec 4340 kJ/(K·m3), l’huile est le matériau pouvant emmagasiner une grande quantité d’énergie donnée

dans le plus petit volume. L’eau, avec 4173 kJ/(K·m3), est également un excellent choix quant au rapport

énergie stockée dans un certain volume. Les métaux ne sont pas très loin avec une capacité énergique

volumique de 3537 kJ/(K·m3). Le pire matériau lorsque l’on pense à l’encombrement est la roche avec 1

925 kJ/(K·m3). Ces données ont été calculées à partir de la densité et de la chaleur spécifique (tableau

B1 en annexe). Le tableau 3.14 résume la comparaison de ces résultats.

Eau Huiles Roches Métaux

Eau 1 0 0

Huiles 0 0 0

Roches 1 1 1

Métaux 1 1 0

Total 2 3 0 1

Tableau 3.14 : Matrice élémentaire du critère d’encombrement du stockage sensible

Critère 7 : Sécurité et impacts sur l’environnement

L’eau, les roches et les métaux sont des matériaux non toxiques pour l’environnement et facilement

recyclables. Par contre, les huiles sont toxiques. Pour ces raisons, les huiles reçoivent 0 face à tous les

autres matériaux. L’eau, les roches et les métaux sont égaux quant à eux. Le tableau 3.15 résume ces

résultats.

Eau Huiles Roches Métaux

Eau 0 0,5 0,5 Huiles 1 1 1

Roches 0,5 0 0,5 Métaux 0,5 0 0,5

Total 2 0 2 2

Tableau 3.15 : Matrice élémentaire du critère de sécurité pour l’environnement du stockage sensible

3.6.4 Comparaison des MCP

Critère 1 : Efficacité

Ayant la meilleure conductivité des MCP, la glace a une efficacité moindre que les paraffines et les

hydrates de sel. Ainsi, les paraffines sont supérieures en termes d’efficacité aux hydrates de sel par leur

67

capacité isolante, qui leur permet d’être en mesure de restituer une plus grande proportion de l’énergie

emmagasinée. Le tableau 3.16 résume ces résultats.

Paraffines Hydrates de sel Glace

Paraffines 0 0

Hydrates de sel 1 0

Glace 1 1

Total 2 1 0

Tableau 3.16 : Matrice élémentaire du critère d’efficacité du stockage latent

Critère 2 : Coût

Provenant d’un matériau à très faible coût et disponible en grande quantité partout au Québec, la glace

est le choix par excellence par rapport au coût. À propos des deux autres matériaux, on note dans la

littérature [HAS 1998] que les paraffines coûtent jusqu’à trois fois le prix des hydrates de sel, et ce, même

si on considère les paraffines techniques. Cette différence de prix peut augmenter jusqu’à dix fois lorsque

l’on compare avec des paraffines pures. Le tableau 3.17 résume ces résultats.

Paraffines Hydrates de sel Glace

Paraffines 1 1

Hydrates de sel 0 1

Glace 0 0

Total 0 1 2

Tableau 3.17 : Matrice élémentaire du critère de coût du stockage latent

Critère 3 : Capacité calorifique

Selon la littérature [HAS 1998], [BRU 2004], les hydrates de sel sont les matériaux ayant la meilleure

capacité calorifique, suivi de la glace et des paraffines. Le tableau 3.18 illustre ces résultats.

Paraffines Hydrates de sel Glace Paraffines 1 1

Hydrates de sel 0 0 Glace 0 1

Total 0 2 1

Tableau 3.18 : Matrice élémentaire du critère de capacité de stockage du stockage latent

68

Critère 4 : Autodécharge

Le critère d’autodécharge se base sur la conductivité thermique principalement. Ainsi, les paraffines, qui

sont de bons isolants, sont les MCP ayant la plus petite autodécharge. Suivi par les hydrates de sel et

par la glace. Le tableau 3.19 illustre ces résultats.

Paraffines Hydrates de sel Glace

Paraffines 0 0 Hydrates de sel 1 0

Glace 1 1

Total 2 1 0

Tableau 3.19 : Matrice élémentaire du critère d’autodécharge du stockage latent

Critère 5 : Vitesse de restitution

Avec une conductivité thermique plus élevée que les paraffines et les hydrates de sel, la glace est

supérieure au point de vue du critère de la vitesse de restitution. De même, les paraffines sont les plus

lentes pour restituer la chaleur emmagasinée, car leur conductivité thermique est inférieure aux deux

autres matériaux. Le tableau 3.20 montre ces résultats.

Paraffines Hydrates de sel Glace

Paraffines 1 1 Hydrates de sel 0 1

Glace 0 0

Total 0 1 2

Tableau 3.20 : Matrice élémentaire du critère de la vitesse de restitution du stockage latent

Critère 6 : Encombrement

Le critère d’encombrement est évalué en fonction du volume occupé par le matériau pour stocker une

quantité donnée d’énergie. Comme démontré par F. Bruno [BRU 2004], les MCP inorganiques, hydrates

de sel, nécessitent 90 % du volume de la glace pour stocker 1 000 MJ. Les MCP organiques, paraffines,

quant à eux nécessitent 220 % du volume de la glace. S.M. Hasnain [HAS 1998] arrive à la même

corrélation entre le volume des hydrates de sel et les paraffines pour la même quantité d’énergie stockée.

Le tableau 3.21 illustre ces résultats.

69

Paraffines Hydrates de sel Glace Paraffines 1 1

Hydrates de sel 0 0 Glace 0 1

Total 0 2 1

Tableau 3.21 : Matrice élémentaire du critère d’encombrement du stockage latent

Critère 7 : Sécurité et impacts sur l’environnement

Seuls les hydrates de sel ne respectent pas totalement les deux aspects du critère de sécurité et sur

l’environnement. C’est pourquoi les paraffines et la glace ont un avantage au point de vue de ce critère.

Quant à ces derniers, ils sont évalués à égalité puisqu’ils respectent tous les aspects. Le tableau 3.22

résume ces résultats.

Paraffines Hydrates de sel Glace

Paraffines 0 0,5

Hydrates de sel 1 1

Glace 0,5 0

Total 1,5 0 1,5

Tableau 3.22 : Matrice élémentaire du critère de sécurité pour l’environnement du stockage latent

3.6.5 Matrice de décision globale

La dernière étape dans la détermination du meilleur choix du matériau pour un système de stockage de

chaleur incorporé à un système JEDSAC est la matrice de décision globale. Celle-ci comprend

l’évaluation relative de chacun des matériaux selon chacun des critères (cités précédemment) pondérés.

La pondération des critères est choisie en fonction de leur importance relative. La meilleure note possible

est 1 et 0 la plus faible. Le tableau 3.23 illustre les résultats.

Nous constatons que l’eau est le matériau sensible répondant le mieux aux critères d’évaluation. C’est

principalement au niveau du coût qu’elle se distingue des autres matériaux. Pour les matériaux à

changement de phase, nous constatons que les hydrates de sel répondent le mieux aux critères

d’évaluation. La capacité de stockage et l’encombrement sont les critères pour lesquels les hydrates de

sel se distinguent des deux autres matériaux candidats. Nous proposons donc l’utilisation de l’eau ou des

hydrates de sel comme matériaux de stockage thermique. Le choix entre ces deux matériaux sera fait en

fonction de l’envergure, du budget et de l’espace disponible du projet JEDSAC à lequel le système de

stockage de chaleur sera jumelé.

70

Matériaux sensibles Matériaux latents

Pondération

Eau

Huiles

Roches

Métaux

Paraffines

Hydrates de sel

Glace

Efficacité 0,26 0,130 0,130 0,260 0,000 0,260 0,130 0,000 Coût 0,22 0,220 0,037 0,147 0,037 0,000 0,110 0,220

Capacité de stockage 0,22 0,147 0,220 0,073 0,000 0,000 0,220 0,110 Autodécharge 0,10 0,067 0,033 0,100 0,000 0,100 0,050 0,000

Vitesse de restitution 0,10 0,050 0,050 0,000 0,100 0,000 0,050 0,100 Encombrement 0,05 0,033 0,050 0,000 0,017 0,000 0,050 0,025 Sécurité pour

l’environnement 0,05 0,033 0,000 0,033 0,033 0,038 0,000 0,038

Total 1 0,680 0,520 0,613 0,187 0,398 0,610 0,493

Tableau 3.23 : Matrice de décision globale

3.7 Difficultés

Avant de faire le choix du matériau qui sera utilisé pour un système de stockage de chaleur dans un

système JEDSAC, les points suivants doivent être pris en considération, car ils représentent les difficultés

que nous avons rencontrées lors de la recherche et revue de littérature et pourront constituer des

obstacles majeurs pour la suite du projet :

• Aucune littérature ni fabricant n’est clair quant à la caractérisation thermophysique des MCP

[KEN 2006].

• Aucune corrélation entre les différentes données des MCP issues d’essais indépendants

n’existe [KEN 2006].

• Aucun institut national ou international n’existe pour certifier les MCP mis sur le marché [KEN

2006].

• Aucun système de stockage thermique sur le marché n’est optimisé [KEN 2006].

• Applications ciblées dans la littérature sont principalement les bâtiments et le stockage

d’énergie solaire [KEN 2006].

• Les MCP devraient être testés au moins durant 1000 cycles thermiques avant de conclure

qu’ils ne sont pas altérés, ce qui n’est pas toujours le cas [KEN 2006].

71

• La température de fonctionnement du système n’est pas établie, ce qui rend difficile le choix

d’un matériau de stockage, spécialement si celui-ci est un MCP.

3.8 Hybridation

Les deux matériaux suggérés pour emmagasiner la chaleur dans le système JEDSAC avec stockage

thermique présente des avantages et des inconvénients qui pourront réduire le domaine d’utilisation et

augmenter la difficulté technique de la réalisation du projet. Ainsi le couplage d’un réservoir d’eau comme

stockeur de chaleur avec des contenants d’hydrates de sel permettrait de stabiliser la température de

l’eau pour une certaine couche durant une période de temps plus longue. Une expérimentation de ce

type de couplage dans un réservoir d’eau chaude domestique a été analysée par L.F. Cabeza et ses

collaborateurs [CAB 2005]. Dans un autre travail, L.F. Cabeza constate que cette couche d’eau

réchauffée reste chaude de 50 à 200% plus longtemps. [CAB 2003]. Selon l’ampleur du projet pour lequel

un système de stockage de chaleur sera conçu, l’option de couplage des deux matériaux pourrait être

intéressante. Il faudra par contre faire une analyse plus approfondi de ce type de système.

72

CHAPITRE 4 : ÉCHANGEURS DE CHALEUR

4.1 Généralités

Un échangeur de chaleur est un dispositif permettant de transférer la chaleur entre un ou plusieurs

fluides ayant une température différente. Généralement, le transfert de chaleur se fait par l’intermédiaire

d’une paroi solide sans que les fluides ne se mélangent. De nombreuses applications nécessitent

l’utilisation d’un échangeur de chaleur, par exemple le radiateur d’une automobile, un condenseur, un

évaporateur, etc. On peut classer les échangeurs de chaleur de plusieurs manières : [KUP 2000]

• Type de construction

• Procédé de transfert

• Degré de compacité de surface

• Arrangement des écoulements

• Nombre de passe

• Phase du fluide de procédé

• Mécanisme de transfert de chaleur

La figure 4.1 détaille ces catégories [SHA 2003].

Pour le choix d’une configuration d’échangeur de chaleur dans le cadre du projet JEDSAC avec stockage

thermique, la classification par type de construction est le meilleur choix pour débuter le design. Ainsi, les

échangeurs thermiques de type tubulaire, à plaque, à surface étendue et régénératives seront détaillés

dans la section 4.2.

Suite au choix des configurations envisageables, deux échangeurs différents devront être choisis. Le

premier devra transférer la chaleur des gaz d’échappement du moteur diesel vers l’air comprimé tandis

que le second devra être en mesure de dissiper la chaleur de l’air comprimé suite à sa compression. La

section 4.3 contiendra les justifications pour le choix du premier échangeur de chaleur tandis que la

section 4.4 celles pour le deuxième choix.

73

Figure 4.1 : Classification des échangeurs de chaleur

74

4.2 Description des échangeurs de chaleur selon la classification par type de

construction

La classification des échangeurs de chaleur par type de construction comprend quatre principales

constructions : tubulaire, à plaques, à surface augmentée et régénératifs. Il existe d’autres types de

constructions disponibles, mais ceux-ci sont les principaux et les seuls abordés dans ce rapport. De plus,

ces autres échangeurs sont généralement conçus pour des applications restreintes en dehors du

système JEDSAC. La majorité des descriptions suivantes proviennent du travail de Ramesh K. Shah

[SHA 2003].

4.2.1 Échangeurs de chaleur tubulaires

Ces échangeurs sont généralement des tubes circulaires, elliptiques ou rectangulaires. Leur design est

relativement très flexible dû à la grande variabilité des paramètres primaires de ces échangeurs, soit le

diamètre et l’épaisseur des tubes, leur longueur et leur configuration. Ils sont utilisables pour des

applications à haute pression par rapport à l’environnement et entre les fluides. Ils sont principalement

utilisés pour des applications liquide-liquide et liquide-changement de phase. Ils sont également utilisés

dans des applications gaz-liquide et gaz-gaz lorsque la température et/ou la pression d’opération sont

élevées. On les regroupe en trois principales catégories : doubles tubes, tubes et calandre et serpentin

en tube.

4.2.1.1 Échangeurs à doubles tubes

Les échangeurs de chaleur tubulaires à doubles tubes consistent généralement en deux tuyaux

concentriques dont le tuyau interne peut être sans ou avec ailettes. La figure 4.2 montre un schéma de

cet échangeur. Un fluide circule dans le tuyau intérieur et l’autre fluide dans l’espace entre les deux

tuyaux dans la direction contraire pour une plus haute performance par unité de surface de contact. C’est

probablement le plus simple des échangeurs envisageables. La distribution des écoulements est simple

et le nettoyage peut facilement être fait en désassemblant l’échangeur. C’est également un excellent

échangeur si un ou les deux fluides sont à haute pression, car le coût des tuyaux est beaucoup moindre

qu’un réservoir ayant un grand diamètre. Ces échangeurs sont généralement utilisés pour de petites

applications ayant une surface d’échange de chaleur est moins de 50 m2, car leur coût par unité de

surface est élevé. Les avantages et inconvénients de ces échangeurs de chaleur sont présentés dans le

tableau 4.1.

75

Figure 4.2 : Échangeur de chaleur tubulaire à double tube

Avantages Inconvénients

Prix relativement bas Puissance limitée

Fiable et simple Risque de « claquement » si le diamètre du trou est petit (<50 mm) et si la longueur est grande

Très bon coefficient de transmission thermique

Tableau 4.1 : Avantages et inconvénients d’un échangeur de chaleur à doubles tubes

4.2.1.2 Échangeurs à tubes et calandre

Les échangeurs de chaleur à tube et calandre14

consistent en une quantité de tubes insérés dans un

réservoir de plus grande dimension nommé enveloppe

(« shell »). Un fluide circule dans l’enveloppe tandis

que l’autre dans les tubes. La figure 4.3 illustre deux

configurations possibles de ce type d’échangeur de

chaleur tubulaire. Il existe de nombreuses autres

configurations possibles selon le besoin de transfert

de chaleur, les pertes de pression maximales, la

prévention des fuites, la facilité d’entretien, possibilité

de contenir des fluides sous pression, de contrôler la

corrosion et encore plus. Les avantages et

inconvénients de ces deux échangeurs de chaleur

sont présentés dans les tableaux 4.2 et 4.3.

Figure 4.3 : Calandre avec faisceaux tubulaires horizontaux (a), calandre avec passage de tube en U (b)

Les échangeurs de chaleur à tube et calandre sont classés et construits principalement selon les normes

TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) [TEMA]. TEMA a développé un système de code

à trois lettres afin d’identifier les échangeurs à tube. La première lettre indique le type de « front-end

head », la deuxième le type d’enveloppe et la troisième représente le type de « rear-end head ». La figure

4.5 montre les principales parties décrites par ce code. Il est à noter que d’autres configurations

14 Cuve fermée comportant des tubes intérieurs

76

existantes ne peuvent être nommées en fonction du code TEMA. De plus, le code TEMA spécifie les

tolérances de fabrication des différentes pièces mécaniques, les variations des dimensions des tuyaux,

des chicanes et des plaques de support, la classification des pressions, les formules de l’épaisseur de

l’enveloppe et encore plus. Il est recommencé de consulter les normes pour tous les détails. Il est à noter

que les normes TEMA ne sont pas les seules à pouvoir être appliquées, les normes DIN 28 008 sont

également couramment utilisées. Afin d’avoir plus de détails sur les différentes composantes de ces

échangeurs, il est recommandé de suivre la procédure de design de livres tels Fundamentals of heat

exchanger design [SHA 2003] et Heat exchanger design [KUP 2000].

Avantages Inconvénients

Résiste aux fortes pressions Sensible aux vibrations

Toutes les puissances Difficulté d’entretien

Coût relativement bas Contraintes dans les tubes

Accepte un grand écart de température

Tableau 4.2 : Avantages et inconvénients des échangeurs de chaleur à calandre et faisceaux tubulaires horizontaux

Avantages Inconvénients

Résiste aux fortes pressions Encombrement

Large gamme de puissance disponible Coût d’investissement élevé

Libre dilatation des tubes et du corps Entretien difficile

Aucune utilisation de vapeur

Tableau 4.3 : Avantages et inconvénients des échangeurs de chaleur à calandre et passage de tube en U

4.2.1.3 Échangeurs à serpentin et tubes

Les échangeurs tubulaires de type serpentin en tube

consistent en un enroulement de tuyau dans un

réservoir. Le taux de transfert de chaleur est ainsi

augmenté relativement à un tube droit. De plus, on

retrouve une surface de contact considérable pour un

volume donné. Le principal problème de ces échangeurs

est la difficulté du nettoyage dû à la géométrie restreinte

et les petits espaces entre chaque pièce. La figure 4.4

montre un type d’échangeur en serpentin.

Figure 4.4 : Échangeur de chaleur en serpentin

77

Figure 4.5 : Embouts standards des échangeurs de chaleur à tube et calandre selon TEMA

78

4.2.2 Échangeurs de chaleur à plaques

Les échangeurs à plaques sont généralement conçus de nombreuses plaques minces. Généralement,

ces échangeurs de chaleur ne peuvent pas résister à de hautes pressions ou températures ni à de

hautes différences de pression et température. Les principaux types de ces échangeurs sont désignés

comme échangeurs à joint étanche, soudé, à plaques hélicoïdales, à lamelles, à circuits imprimés et à

serpentin à plaque externe.

4.2.2.1 Échangeurs à joints étanches

Les échangeurs à plaques à joint étanche consistent en un nombre de minces plaques de métal scellé

par un joint étanche sur le pourtour et jointes ensemble par un bâti. La figure 4.6 montre un échangeur de

chaleur à plaques avec joint étanche typique.

Les plaques sont fabriquées en étampant ou en brossant un patron sur une feuille de métal. De chaque

côté de la plaque, on retrouve des rainures de différents modèles sur toute la surface. La figure 4.7

montre quelques patrons typiques. Ces patrons sont conçus de manière à renforcer la structure, de

garder la distance désirée entre chaque plaque et de rehausser les transferts de chaleur.

Figure 4.6 : Échangeur de chaleur à plaques avec joint étanche et son bâti

79

Figure 4.7 : Patrons de plaques communs

Les joints d’étanchéité entre les plaques sont fabriqués d’élastomère d’environ 5 mm d’épaisseur et

ajustés de manière à suivre la rainure périphérique. Les joints d’étanchéité sont conçus pour être

compressés environ 25 % de leur épaisseur pour ne pas déformer les plaques métalliques. Il existe

également des joints doubles afin d’éviter le mélange des fluides en cas de bruit. Le tableau 4.4 montre

les principaux matériaux utilisés dans l’industrie pour la fabrication des joints d’étanchéité.

Le tableau 4.5 montre les paramètres de dimensions et de performances typiques d’échangeurs de

chaleur à plaque avec joint d’étanchéité. Les métaux pouvant être travaillés à froid sont propices à la

fabrication d’échangeurs de chaleur à plaques. Les plus utilisés sont l’acier inoxydable (AISI 304 ou 316)

et le titane. Les alliages Incoloy 825, Inconel 625 et Hastelloy C-276 sont également largement répandus.

Le nickel et le cuivre sont rarement utilisés. L’acier carbone n’est jamais utilisé dû à sa faible résistance à

la corrosion. Le graphite et les polymères sont utilisés dans la fabrication des plaques pour les

applications avec des fluides corrosifs.

80

Matériau Nom générique Température d’opération

maximale (°C) Applications Commentaire

Caoutchouc naturel

Cis-1,4-polyisoprene 70 Solvants oxygénés, acides,

alcools

SBR (styrène butadiène 80 Milieux aqueux, alcalins, acides

et solvants oxygénés Faible résistance

au gras

Néoprène Trans-1,4-polychloroprène 70 Alcools, alcalins, acides, solvants

d’hydrocarbone aliphatique

Nitrile 100-140

Produits laitiers, jus de fruits, breuvages, pharmaceutiques et biochimiques, huile, essence, huiles végétales et animales, alcalins, solvants organiques

aliphatiques

Résistant aux matières grasses; Excellent pour la

crème

Butyl 120-150 Alcalins, acides, huiles végétales et animales, aldéhydes, acétone,

phénols et esters

Faible résistance aux gras; résiste

aux solutions chimiques

inorganiques jusqu’à 150°C

Caoutchouc d’éthylène propylène

140 Alcalins, solvants oxygénés Inadéquat pour des liquides gras

Caoutchouc de silicone

Polydiméthyl siloxane 140 Basse température, alcools,

hypochlorite de sodium

Caoutchouc fluorant

175 Aqueux à haute température, huiles minérales, essence, solvants organiques, huiles

végétales et animales

Fibre d’amiante 200-260 Solvants organiques, hautes

températures

Tableau 4.4 : Matériaux utilisés pour des joints d’étanchéité des échangeurs de chaleur

Unité Opération Surface maximale 2500 m2 Pression 0.1 – 3.0 MPa

Nombre de plaques 3 à 700 Température -40 - 260 °C Grandeur d’entrée Jusqu’à 400 mm Vitesse d’entrée maximale 6 m/s

Écoulements des rainures 0.05 – 12.5 m3/h Débit maximal 2500 m3/h

Plaques Performance

Épaisseur 0.5 – 1.2 mm Différence de température Aussi bas que 1 °C Dimensions 0.03 – 3.6 m2 Efficacité Jusqu’à 93 %

Espace 1.5 – 7 mm Coefficients de transfert de chaleur eau-eau

3000 - 8000 W/m2K

Largeur 70 – 1200 mm Longueur 0.4 – 5 m

Diamètre hydraulique 2 – 10 mm Surface par plaque 0.02 – 5 m2

Tableau 4.5 : Points d’opérations et géométries typiques d’échangeur de chaleur à plaques

81

Les échangeurs de chaleur à plaques avec joint d’étanchéité ont comme avantage d’être faciles à

désassembler ce qui les rend faciles à nettoyer. La surface de transfert de chaleur peut facilement être

changée ou réorganisée pour des applications différentes ou pour des changements anticipés de

charges. L’air utilisé est entre la moitié et le tiers d’un échangeur de chaleur à tube et calandre pour une

certaine quantité de chaleur à extraire, ce qui réduit le coût, le volume total et l’espace requis. De plus,

son poids est d’environ le sixième d’un échangeur à tube et calandre. La seule raison pour laquelle les

deux fluides seraient mélangés serait qu’une des plaques serait perforée. Autrement, les fuites coulent à

l’extérieur de l’échangeur de chaleur. Il n’y a aucun endroit chaud ou froid dans l’échangeur qui pourrait

mener à une détérioration des fluides sensibles à la chaleur. Le volume du fluide à l’intérieur de

l’échangeur est petit, ce qui est très important pour des fluides dispendieux, pour une réponse plus rapide

et pour un meilleur contrôle du procédé. Finalement, une haute performance thermique peut être atteinte

dans ce type d’échangeur. Pour un écoulement à contre-courant, les températures peuvent se

rapprocher jusqu’à 1 °C. L’efficacité peut atteindre 93 % ce qui facilite le recouvrement économique de

l’investissement. Par contre, les échangeurs à plaques avec joints d’étanchéité peuvent être utilisés à des

pressions allant jusqu’à 3 MPa (435 psig), mais sont généralement opérés en dessous de 1.0 MPa (150

psig). La température d’opération maximale est de 260 °C, mais dépasse rarement 150 °C pour éviter

l’utilisation de joints d’étanchéité dispendieux. La durée de vie des joints d’étanchéités est limitée, ce qui

implique un remplacement possible fréquent de ceux-ci pour certaines applications. Les échangeurs de

chaleur à plaques avec joint d’étanchéité ne sont pas conseillés pour des applications avec des fluides

contenant des fibres ou des matières abrasives, ceci abime les joints. Les fluides très visqueux peuvent

apporter des problèmes de male répartition, spécialement lors de refroidissement. Ils ne devraient pas

être utilisés pour des fluides toxiques dus à la possibilité de fuite des joints d’étanchéité.

Les principales applications des échangeurs de chaleur à plaques avec joint d’étanchéité est la

pasteurisation du lait, des applications liquide-liquide avec une viscosité inférieure à 10 pascals

secondes, les produits laitiers, les jus, les breuvages, les alcools, l’industrie alimentaire et l’industrie

pharmaceutique, l’industrie du caoutchouc, les pâtes et papiers, les systèmes de refroidissement des

centrales pétrochimiques et encore plus. Ils ne sont pas souhaités pour des applications gaz-gaz.

4.2.2.2 Échangeurs à plaques soudées

Une des limitations des échangeurs à plaques avec joints d’étanchéité est la présence des joints

d’étanchéité, ce qui amène une restriction quant au choix des fluides, ils ne doivent pas être corrosifs, et

limite la température et la pression d’opération. Afin d’éliminer ces problèmes, certains échangeurs à

plaques ont les surfaces des plaques soudées les unes aux autres sur un ou des deux côtés des fluides.

Afin de réduire le coût de soudage, les plaques sont généralement plus larges que normalement. Le

82

principal désavantage encouru par cette technique est la perte de la possibilité de désassembler les

échangeurs, ce qui les rend plus difficiles à nettoyer.

4.2.2.3 Échangeurs à plaques hélicoïdales

Un échangeur de chaleur à plaques hélicoïdales consiste à deux feuilles de métal relativement longues

reliées par des tiges métalliques pour garder un espacement qui sont roulées autour d’un mandrin pour

former une paire de canaux hélicoïdaux pour deux fluides. La figure 4.8 en montre un exemple. Un

embout est ajouté aux extrémités afin de garder les fluides dans leurs canaux respectifs. Ces embouts

peuvent être soudés ou fixés avec des vis en ayant un joint étanche entre les plaques hélicoïdales et

chaque embout afin de garder l’échangeur de chaleur étanche. Les principaux métaux utilisés pour les

plaques sont l’acier inoxydable, le titane, l’Hastelloy, l’Incoloy et des alliages à haute densité de nickel.

Les fluides peuvent circulé de trois manières différentes dans l’échangeur : à contre-courant en spirale,

un fluide en spirale et l’autre transversalement, un fluide en spirale et l’autre en une combinaison de

spirale et transversale. Les avantages et inconvénients des échangeurs de chaleur à plaques

hélicoïdales sont résumés dans le tableau 4.6.

Figure 4.8 : Échangeur de chaleur à plaques hélicoïdales

Avantages Inconvénients

Liquides visqueux possibles Puissances limitées Liquides avec particules Pression maximale de 2.5 MPa

Encrassement réduit Température maximale de 500 °C avec joint d’étanchéité en amiante

Aucun isolant nécessaire Température maximale générale de 200 °C

Difficulté d’entretien et de réparation

Tableau 4.6 : Avantages et inconvénients des échangeurs de chaleurs à plaques hélicoïdales

83

4.2.2.4 Échangeurs à lamelles

Les échangeurs de chaleur à lamelles consistent en une enveloppe extérieure tubulaire dans laquelle un

grand nombre d’éléments, appelés lamelles, sont introduits. Ces lamelles sont généralement des tubes

aplatis selon différents ratios. La figure 4.9 montre un exemple de ce type d’échangeur et de lamelles.

L’ouverture des lamelles va de 3 à 10 mm et l’épaisseur de 1,5 à 2 mm. Les lamelles sont insérées dans

le tube et refermées avec un joint d’étanchéité pour prévenir les fuites. L’écoulement est généralement à

contre-courant afin d’augmenter le transfert thermique entre les deux fluides. Cet échangeur de chaleur

est utilisé dans les procédés chimiques l’industrie des pâtes et papiers et pour toutes autres applications

pouvant utiliser un échangeur à tubes et calandres.

Figure 4.9 : Échangeur de chaleur à lamelle (a), Section coupée de lamelles (b), Lamelles (c)

4.2.2.5 Échangeurs à circuits imprimés

Les échangeurs à circuits imprimés n’ont qu’une seule surface d’échange de chaleur comme les

échangeurs à plaques, la figure 4.10 montre un exemple. De petits canaux sont fabriqués dans une

plaque avec la même technique que dans la fabrication de circuits imprimés. Les différentes plaques

ainsi formées sont soudées les unes aux autres pour former un échangeur de chaleur. La profondeur des

canaux va de 0,1 à 2 mm. Il est possible d’atteindre une haute densité de surface de contact, 650 à 1300

m2/m3, pour des pressions de 50 à 100 MPa et des températures de 150 à 800 °C. De nombreux

matériaux sont utilisés dans leur fabrication, notamment l’acier inoxydable, le titane, le cuivre, le nickel et

ses alliages. Ils sont couramment utilisés dans des plateformes pétrolières en haute mer comme

refroidisseur de compresseur, récupérateur de chaleur d’eaux usées, dans des procédés cryogéniques et

encore plus. Avec la petite dimension des canaux, la perte de charge peut être importante pour des

applications à basse et moyenne pression. Cependant, ils ont les avantages d’avoir une résistance à la

pression élevée, une bonne flexibilité dans le design et une excellente efficacité.

84

Figure 4.10 : Échangeur à circuits imprimés de Heatric

4.2.2.6 Échangeurs à serpentin à plaque externe

L’élément principal est nommé un serpentin à plaque externe et est illustré à la figure 4.11. Ces

échangeurs de chaleurs sont faciles à fabriquer et peu dispendieux. Leur géométrie permet de les

introduire dans la plupart des systèmes, d’une conduite à une large cuve en passant par un milieu

ambiant selon que l’on désire réchauffer ou refroidir le fluide caloporteur. Les matériaux les plus courants

dans la fabrication des échangeurs de chaleur à serpentin à plaque externe sont l’acier carbone, l’acier

inoxydable, le titane, le nickel et ses alliages et le monel15. La pression d’opération maximale varie de 1,2

à 1,8 MPa selon le matériau de fabrication et la géométrie.

Figure 4.11 : Plaque à serpentin d’un échangeur à serpentin à plaque externe

15 Nom d’une marque déposée d’un alliage de cuivre et de nickel ayant une grande résistance à la corrosion

85

4.2.3 Échangeurs de chaleur à surface augmentée

Les échangeurs tubulaires et à plaques utilisent seulement la surface primaire pour échanger la chaleur

entre les fluides. Leur efficacité est normalement de 60 % ou moins et la surface de transfert de chaleur

inférieure à 700 m2/m3. Dans certaines applications, une efficacité de plus de 95 % est essentielle afin de

limiter le volume et la masse. Les échangeurs de chaleur entre gaz et certains liquides ont un coefficient

de transfert de chaleur très bas. Ceci implique une surface d’échange très grande. Une méthode afin

d’augmenter la surface d’échange est d’ajouter des ailettes sur un ou les deux côtés. Cet ajout permet

d’augmenter de 5 à 12 fois la surface d’échange. Les échangeurs à plaques et ailettes et les échangeurs

à tube et ailettes sont les plus communs.

4.2.3.1 Échangeurs à plaques avec ailettes

Ce type d’échangeur de chaleur consiste à ajouter des ailettes ondulées entre des plaques parallèles.

Les ailettes sont généralement de forme triangulaire ou rectangulaire. La figure 4.12 montre un exemple.

Parfois, les ailettes sont incorporées dans un tube plat avec des arrondis, ce qui élimine le besoin de

barres de soutien. D’autres géométries sont possibles selon le type d’échangeur de changeur à plaques.

Dans des applications gaz-liquide, les ailettes sont généralement utilisées seulement du côté gaz de

l’échangeur.

Les échangeurs à plaques avec ailettes sont regroupés en trois catégories : ailettes non coupées,

comme triangulaires ou rectangulaires, ailettes non coupées avec courbe et ailettes interrompues. La

figure 4.13 montre des configurations courantes d’ailettes.

Figure 4.12 : Composantes de base d’un échangeur de chaleur à plaques avec ailettes

86

Figure 4.13 : Géométries d’ailettes ondulées pour échangeur de chaleur à plaques : (a) triangulaire; (b) rectangulaire; (c) ondulé; (d) bandes décalées; (e) multiples évents; (f) trouées

4.2.3.2 Échangeurs tubulaires avec ailettes

On retrouve deux catégories de tubes à ailettes : les tubes conventionnels et les tubes de spécialité.

Dans un tube conventionnel, le transfert de chaleur entre les fluides se fait par conduction à travers la

paroi du tube. Dans un échangeur de spécialité, le transfert de chaleur se fait par l’intermédiaire d’un tube

dans le lequel un liquide passe de gaz à liquide avec un effet convectif, on nomme ce tube caloduc.

1) Échangeurs tubulaires à ailettes : Dans un échangeur liquide-gaz, le coefficient de transfert du côté du

liquide est généralement plus grand que du côté du gaz. Afin d’obtenir une conductance balancée des

deux côtés pour un échangeur de chaleur le plus petit possible, des ailettes sont ajoutées du côté gaz de

l’écoulement. De plus, si la pression est haute pour un fluide, il est généralement économique d’utiliser

des tubes.

Les tubes les plus communs sont ronds ou rectangulaires, par contre, des tubes elliptiques sont aussi

utilisés. Les ailettes sont généralement placées sur l’extérieur du tube et sont fixées mécaniquement,

collées, soudées, brasées ou extrudées.

Dépendamment du type d’ailettes, les échangeurs de chaleur tubulaires à ailettes sont regroupés dans

les trois catégories suivantes : tube simple à ailettes (figure 4.14a et 4.15), tubes à ailettes continues

(figure 4.14b et 4.16) et tubes longitudinaux (figure 4.17). Il existe également des tubes avec ailettes

internes (figure 4.18).

87

Un échangeur de chaleur refroidi à l’air consiste en un tube avec ailettes dans lequel un fluide chaud

circule et l’air ambiant circule sur la surface externe.

Figure 4.14 : (a) Tubes à ailettes simples; (b) ailettes plaques autour de tubes. Les ailettes sont plates, mais pourraient être ondulées, coupées ou à évents.

Figure 4.15 : Tubes à ailettes simples

88

Figure 4.16 : Trois configurations d’ailettes continues

Figure 4.17 : Tubes à ailettes longitudinaux

Figure 4.18 : Tubes avec ailettes internes

89

2) Échangeurs de chaleur à caloducs : Ce type d’échangeur est similaire à un tube à ailettes à l’exception

que le tube est un caloduc. Le fluide froid circule d’un côté et le fluide chaud de l’autre. La figure 4.19

montre un échangeur de chaleur à caloducs. Le principe de fonctionnement d’un caloduc est que l’une

des extrémités est chauffée par une source extérieure, laissant s’évaporer le fluide interne. La pression

interne du caloduc augmente puis se dirige vers le côté froid où il se condense et se dépose sur les

parois. Avec la hausse de pression, la condensation retourne vers l’évaporateur par capillarité lorsque le

caloduc est bien dimensionné. La figure 4.20 illustre ce principe. Ce type d’échangeur est généralement

utilisé pour des applications air-air dans la récupération de chaleur perdue.

Figure 4.19 : Échangeur de chaleur à caloducs Figure 4.20 : Principe d’un caloduc

4.2.4 Échangeurs de chaleur régénératifs rotatifs

L'échangeur thermique rotatif régénératif, communément connu sous le nom de préchauffeur d'air ou

réchauffeur de gaz, a été inventé par l'ingénieur suédois Frederick Ljungstrom en 1922. Peu après,

Howden et Ljungstrom se sont associés pour commercialiser cette technologie pour l'utiliser dans

l'industrie de la production d'énergie électrique [HOW].

Dans un échangeur thermique rotatif (figure 4.21), la chaleur est transférée d'un gaz chaud à un gaz froid

à travers un cylindre rotatif de feuilles de métal densément assemblées, appelées des lamelles. Ces

lamelles sont assemblées dans des conteneurs et tournent lentement dans un flux gazeux et dans l'autre.

90

Un gaz chaud fluit sur la surface des lamelles métalliques, élevant leur température. Lorsque le rotor

tourne, à environ 1 tr/min., les lamelles chauffées se déplacent dans le flux de gaz froid, accroissant sa

température.

Figure 4.21 : Schéma d'un échangeur thermique rotatif régénératif (à gauche) et panier de lamelles (à droite)

Les échangeurs thermiques rotatifs sont produits dans diverses tailles selon l'application, mais peuvent

avoir un diamètre allant jusqu'à 20 mètres, pour un poids de plus de 800 tonnes.

Diverses lamelles sont spécifiquement conçues pour des carburants particuliers ou des applications

spéciales, avec des rendements reflétant un équilibre entre la résistance à l'érosion ou à l'encrassement

et l'efficacité du transfert thermique.

Dans un préchauffeur d'air rotatif, une perte de gaz à pression supérieure dans le flux gazeux de pression

plus basse est inévitable, car des écarts de fonctionnement réduits sont nécessaires entre le rotor et

l'enveloppe.

Dans les cas de traitement de grandes quantités de gaz ou d'air, les échangeurs thermiques régénératifs

sont une solution extrêmement efficace et compacte. La raison de ceci est que les deux surfaces de

91

chaque élément sont utilisées simultanément pour le transfert thermique lorsqu'elles tournent à travers

les côtés de l'air et du gaz de l'échangeur thermique.

Ce type des échangeurs thermiques est destiné pour des applications à grande échelle (grande taille de

projet). Il existe trois applications principales pour les échangeurs thermiques rotatifs [HOW] :

• Chaudières à usage général et industrielles - Préchauffeurs d'air

• Usine de désulfuration de gaz de combustion - Réchauffeurs de gaz

• Installation de "Traitement final” RSC DeNOx - Préchauffeurs de gaz

Pour cette raison, nous excluons la possibilité d’utiliser les échangeurs régénératifs associées au

système JEDSAC.

4.3 Fabricants

Le marché des échangeurs de chaleur est bien développé. Afin de simplifier les recherches, le tableau

4.7 montre plusieurs fabricants ainsi que le type d’échangeurs qu’ils fabriquent.

Fabricants Produits Allegheny Bradford Corp Tubes et calandre

Bowman [BOW] Tubes et calandre Échangeurs à plaques

Caron et fils [CAR] Tubes et calandre Serpentins

DDI [DDI] Tubes et calandre

Enerfin [ENE]

Tubes à ailettes extrudées Serpentins industriels

Tubes et calandre Systèmes refroidisseurs

Thermofin [THE]

Échangeurs à plaques et joints Échangeurs à plaques brasées

Tubes à ailettes extrudés Tubes pour caloducs

Serpentins Tube et calandre

Tranter [TRA] Échangeurs à plaques

WCR [WCR] Échangeurs à plaques Tubes et calandre

Tableau 4.7 : Fabricants d’échangeurs de chaleur

92

CHAPITRE 5 : CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Ce rapport est consacré à la phase de recherche de modèle d’un système de stockage-échange

thermique pour une application JEDSAC et de présenter les technologies les plus prometteuses d’être

intégrées au système.

Trois configurations d’intégration d’un réservoir de stockage thermique sont proposées :

• Configuration directe en série,

• Configuration directe en parallèle,

• Configuration avec dissipation de la chaleur.

Ces réservoirs de stockage thermiques ont nécessité le choix d’un matériau permettant l’accumulation de

la chaleur. Ainsi, l’eau et les hydrates de sel se sont montrés les matériaux les mieux adaptés aux

conditions d’utilisation du système.

Les modèles d’échangeurs thermiques existants ont été présentés dans le but de compléter le présent

rapport puisque ces échangeurs devront être utilisés dans chacune des configurations. Puisque les

caractéristiques du système sont inconnues, aucune prise de décision n’a été faite quant au choix des

échangeurs de chaleur qui seront utilisés.

En se basant sur le présent rapport, nous pouvons considérer que la phase 1, recherche de modèle, est

complétée. La phase 2 du projet, conception et modélisation, peut débuter. Cette phase devrait porter sur

les éléments suivants :

• Conception détaillée des trois configurations en tenant en compte les deux matériaux retenus

comme médium d’accumulation thermique.

• Modélisation des trois configurations proposées avec l’eau et un hydrate de sel comme MCP.

Cette étape a pour objectif de comparer quantitativement les choix technologiques.

93

BIBLIOGRAPHIE

[ABH 1983] ABHAT A. Low temperature latent heat thermal energy storage: heat storage materials, Solar

Energy 30 (1983) 313-332.

[BEN 2001] BENMANSOUR A. MA HAMDAN, Simulation du Stockage de l’Energie Thermique dans un

Lit Fixe de Sphères Contenant un Matériau à Changement de Phase, Revue d’Energie Renouvellable,

Vol 4, 2001.

[BOW] http://www.ebjbowman.co.uk/

[BRU 2004] BRUNO F. Using phase change materials (PCMs) for space heating and cooling in buildings.

AIRAH paper, 2004.

[CAB 2003] CABEZA L.F., H MEHLING, S HIPPELI et S HIEBLER, PCM-module to improve hot water

heat stores with stratification, Renewable Energy, Volume 28, Issue 5, 2003.

[CAB 2005] CABEZA L.F., M IBANEZ, C SOLÉ, J ROCA et M NOGUÉS, Experimentation with a water

tank including a PCM module, Solar Energy Materials & Solar Cells, 2005.

[CAB 2007] CABEZA L.F., MAZMAN M. MEHLING H. PAKSOY H.O. et EVLIYA H. Heat transfer

enhancement of fatty acids when used as PCMs in thermal energy storage, International journal of

energy research, 2007.

[CAR] http://www.caronetfils.com

[CHA 1996] CHARACH C, C BELLECCI et M CONTI, Thermodynamic Design of a Phase Change

Thermal Storage Module, Journal of Solar Energy Engineering, vol. 118, 1996.

[CLI] http://www.climator.com

[CRI] http://www.cristopia.com/

[DDI] http://www.ddi-heatexchangers.com/

[DIN 2002] DINÇER I. & MA ROSEN, Thermal energy storage: Systems and Applications. Chichester,

England, Wiley Edition, 2002.

[DUF 1989] DUFFIE JA. WA BECKMAN, Solar Thermal Processes, John Wiley & Sons. 1989

[DUR] http://www.heat-transfer-fluid.com

94

[ENE] http://www.enerfin-inc.com/

[ELQ 2005] EL QARNIA H.E. Analyse du transfert de chaleur dans un système de stockage d’énergie par

chaleur latente de fusion pour le chauffage d’eau, 12e Journées Internationales de Thermique, Tanger,

Maroc, 15-17 novembre, 2005.

[EPS] http://www.epsltd.co.uk/

[FAR 2004] FARID MM. AM KHUDHAIR, SA RAZACK, S. AL-HALLAJ, A review on phase change energy

storage: materials and applications, Energy conversion and Management 2004; 45:1597-1615.

[GOK 2001] GÖK Ö., M Ö YILMAZ et H Ö PAKSOY, Stabilization of Glauber’s salt for latent heat storage,

Çukurova University, Turkey, 2001

[HAL 2000] HALE MJ. Survey of Thermal Storage for Parabolic Trough Power Plants, National

Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado, Sept. 2000.

[HAS 1998] HASNAIN S.M. Review on sustainable thermal energy storage technologies, part 1: Heat

storage materials and techniques, Elsevier Science Ltd., 1998.

[HAW 2002] HAWLADER M.N.A. M.S. UDDIN et H.J. ZHU, Encapsulated phase change materials for

thermal energy storage: Experiments and simulation, International journal of energy research, Vol. 26, pp

159-171, 2002.

[HEI 2006] HEINZ A. & W. STREICHER, Application of phase change materials and PCM-slurries for

thermal energy storage, Institute of Thermal Engineering, Graz, 2006.

[HOW] http://www.howden.com/fr/Library/HowThingsWork/RotaryHeaters/default.htm

[IBR 2007] IBRAHIM H. A ILINCA, R YOUNÈS, J PERRON, T BASBOUS, Study of a Hybrid Wind-Diesel

System with Compressed Air Energy Storage, Electrical Power Conference 2007, “Renewable and

Alternative Energy Resources”, EPC2007, Montreal, Canada, October 25-26, 2007.

[IBRA 2007] IBRAHIM H. A ILINCA, J PERRON, Energy Storage Systems – Characteristics and

Comparaisons, Renewable & Sustainable Energy Reviews, RSER405, May 2007.

[IBRAH 2007] IBRAHIM H. R YOUNÈS, A ILINCA, Optimal Conception of a Hybrid Generator of

Electricity, Reference Number : CANCAM07-ETS-39, le 21e congrès canadien de mécanique appliqué,

Toronto, Canada, 3-7 juin 2007.

[IBRH 2007] IBRAHIM H. A. ILINCA, J. PERRON, Comparison and Analysis of Different Energy Storage

Techniques Based on their Performance Index, IEEE Canada, Electrical Power Conference 2007,

“Renewable and Alternative Energy Resources”, EPC2007, Montreal, Canada, October 25-26, 2007.

[IBR 2008] IBRAHIM H., A. ILINCA, J. PERRON, Energy storage systems-Characteristics and

comparisons, Renewable & Sustainable Energy Reviews, Vol. 12, pp 1221-1250, 2008.

95

[ILI 2007] ILINCA A., Système éolien diesel avec stockage d’air comprimé, Rapport interne, UQAR, 2007.

[ILIN 2007] ILINCA A. Étude et conception d’un échangeur thermique pour un système hybride de type

éolien-diesel-stockage d’air comprimé (JEDSAC), UQAR, 2007.

[ISM 1997] ISMAIL KAR et MM GONCALVES, Analysis of a Latent Heat Cold Storage Unit,International

Journal of Energy Research, vol 21, 1223-1239, 1997.

[ISM 1998] ISMAIL KAR et CA MELO, Convection-Based Model for a PCM Vertical Storage Unit,

International Journal of Energy Research, vol. 22, 1249-1265, 1998.

[JIL 2007] JILANI G, NR VYSHAK, Numerical analysis of latent heat thermal energy storage system,

Energy Conversion & Management, vol 48, pp. 2161-2168, 2007.

[KEN 2006] KENISARIN M. & K. MAHKAMOV, Solar energy storage using phase change materials,

2006.

[KOI 2004] KOIZUMI H, Time and spatial heat transfer performance around an isothermally heated

sphere placed in a uniform, downwardly directed flow (in relation to the enhancement of latent heat

storage rate in a spherical capsule), Applied Thermal Engineering, vol 24, pp 2583-2600, 2004.

[KUP 2000] KUPPAN T, Heat exchanger design handbook, Marcel Dekker, New York, 2000.

[LAC 1998] LACROIX M et P BROUSSEAU, Numerical simulation of a multi-layer latent heat thermal

energy storage system, International Journal of Energy Research, vol 22, pp 1-15, 1998.

[LAC 1999] LACROIX M et A LAOUADI, Thermal performance of a latent heat energy storage ventilated

panel for electric load management, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol 42, pp 275-286,

1999.

[LAC 2006] LACROIX M et Z A HAMMOU, A new PCM storage system for managing simultaneously

solar and electric energy, Energy and Buildings, vol 38, pp 258-265, 2006.

[LAN 1993] LANE GA. Solar heat storage: Latent heat material Vol.1. CRC press, Boca Raton FL, 1993.

[LIU] LIU W. S GU, D QIU, Techno-economic assessment for off-grid hybrid generation systems and the

application prospects in China, http://www.wordenergy.org/wecgeis/publications.

[MAR 2005] MARIN J, B ZALBA, LF CABEZA, H MEHLING, Improvement of a thermal energy storage

using plates with paraffin-graphite composite, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol 48, pp

2561-2570, 2005.

[MIL 1999] MILLETTE J. Conception, instrumentation, modélisation et analyse d’un élément de stockage

d’énergie par chaleur latente, Thèse de doctorat es sciences appliquées, Université de Sherbrooke,

1999.

[MRNF] http:///www.mrnf.gouv.qc.ca/energie/eolien

96

[REI 1997] REID R. Application de l’éolien en réseaux non reliés, LIAISON ÉNERGIE-

FRANCHOPHONE, N35/2 Trimestre, 1997.

[RUB] http://www.rubitherm.de

[RUF] RUFER A et S LEMOFOUET, Stockage d’énergie par air comprimé : un défi pour les circuits

d’électronique de puissance, Laboratoire d’électronique industrielle, Station 11, EPFL, Lausanne, Suisse.

[SHA 1980] SHAPIRO A.B. Solar thermal energy storage using paraffin wax phase change material,

thèse de doctorat, Vanderbilt University, 1980.

[SHA 2003] SHA R.K. et D.P. SEKULIC, Fundamentals of heat exchanger design, Wiley, New York,

2003.

[SHA 2008] SHARMA A. VV TYAGI, CR CHEN et D BUDDHI, Review on thermal energy storage with

phase change materials and applications, Renew Sustain Energy Rev (2008), doi:

10.1016/j.rser.2007.10.005

[SHI 2005] SHIINA Y, T INAGAKI, Study on the efficiency of effective thermal conductivities on melting

characteristics of latent heat storage capsules, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol 48,

373-383, 2005.

[TEA] http://www.teappcm.com/

[TEMA] http://www.TEMA.org/

[THE] http://www.thermofin.net

[TRA] http://www.tranter.com/

[WCR] http://www.wcr-regasketing.com/

[YAN 1999] YANBING K., J YI, Z YINPING, Z YINGQIU, Thermal Storage and Heat Transfer in Phase

Change Material Outside a Circular Tube with Axial Variation of the Heat Transfer Fluid Temperature,

Journal of Solar Energy Engineering, vol. 121, août 1999.

97

ANNEXE A : Sous-matrices du critère de simplicité

Mixte 3 Mixte 4 Mixte 5 Mixte 6 Mixte 7 Mixte 8 Mixte 9 Mixte 10

Mixte 3 0 1 1 1 1 0 0

Mixte 4 1 1 1 1 1 0 0

Mixte 5 0 0 1 0,5 1 0 0

Mixte 6 0 0 0 0 0,5 0 0

Mixte 7 0 0 0,5 1 1 0 0

Mixte 8 0 0 0 0,5 0 0 0

Mixte 9 1 1 1 1 1 1 0

Mixte 10 1 1 1 1 1 1 1

Total 0,43 0,29 0,64 0,93 0,64 0,93 0,14 0,00

Tableau A1 : Matrice de décision du sous-critère de simplicité de conception

Mixte 3 Mixte 4 Mixte 5 Mixte 6 Mixte 7 Mixte 8 Mixte 9 Mixte 10

Mixte 3 0 1 1 1 1 0 0

Mixte 4 1 1 1 1 1 1 1

Mixte 5 0 0 1 0,5 1 0 0

Mixte 6 0 0 0 0 0,5 0 0

Mixte 7 0 0 0,5 1 1 0 0

Mixte 8 0 0 0 0,5 0 0 0

Mixte 9 1 0 1 1 1 1 0

Mixte 10 1 0 1 1 1 1 1

Total 0,43 0,00 0,64 0,93 0,64 0,93 0,29 0,14

Tableau A2 : Matrice de décision du sous-critère de simplicité de fabrication

98

Mixte 3 Mixte 4 Mixte 5 Mixte 6 Mixte 7 Mixte 8 Mixte 9 Mixte 10

Mixte 3 0,5 0 0 0 0 0 0

Mixte 4 0,5 0 0 0 0 0 0

Mixte 5 1 1 1 0 0 1 1

Mixte 6 1 1 0 0 0 0,5 0,5

Mixte 7 1 1 1 1 1 1 1

Mixte 8 1 1 1 1 0 1 1

Mixte 9 1 1 0 0,5 0 0 0,5

Mixte 10 1 1 0 0,5 0 0 0,5

Total 0,93 0,93 0,29 0,57 0,00 0,14 0,57 0,57

Tableau A3 : Matrice de décision du sous-critère de simplicité de contrôle

Mixte 3 Mixte 4 Mixte 5 Mixte 6 Mixte 7 Mixte 8 Mixte 9 Mixte 10

Mixte 3 0 0 0 0 0 0 0

Mixte 4 1 0 0 0 0 0 0

Mixte 5 1 1 1 0,5 1 1 1

Mixte 6 1 1 0 0 0,5 0,5 0,5

Mixte 7 1 1 0,5 1 1 1 1

Mixte 8 1 1 0 0,5 0 0,5 0,5

Mixte 9 1 1 0 0,5 0 0,5 0

Mixte 10 1 1 0 0,5 0 0,5 1

Total 1,00 0,86 0,07 0,50 0,07 0,50 0,57 0,43

Tableau A4 : Matrice de décision du sous-critère de simplicité d’exploitation

Pondération Mixte 3 Mixte 4 Mixte 5 Mixte 6 Mixte 7 Mixte 8 Mixte 9 Mixte 10

Conception 0,25 0,107 0,071 0,161 0,232 0,161 0,232 0,036 0,000

Fabrication 0,25 0,107 0,000 0,161 0,232 0,161 0,232 0,071 0,036

Contrôle 0,25 0,232 0,232 0,071 0,143 0,000 0,036 0,143 0,143

Exploitation 0,25 0,250 0,214 0,018 0,125 0,018 0,125 0,143 0,107

Total 1,00 0,696 0,518 0,411 0,732 0,339 0,625 0,393 0,286

Rang 2 4 5 1 7 3 6 8

Tableau A5 : Sous-matrice de décision du critère de simplicité

99

ANNEXE B : Propriétés thermophysiques de matériaux

Matériaux T (K) ρ (kg/m3) k (W/m·K) Cp (J/kg·K) Coût par kg ($/kg) Acier (Cr≈1%) 273-1273 7860 33-62 460 5,00

Aluminium 273-673 2720 204-250 895 N.D.16 Caloria-ht 43 310 875,2 0,119 1758,5 N.D.

Béton 300 2300 1,4 880 0,05 Béton armé - 2200 1,5 850 0,05

Duratherm 630 300 862,3 0,142 1967,8 4.21 Eau 293 998,2 0,6034 4181,1 0,00

Fer (C≈4%) 273-1273 7260 35-52 420 N.D. Fonte - 7200 37 560 1,00 Sable 300 1515 0,27 800 0,15

Tableau B1 : Propriétés thermophysiques de matériaux sensibles [DIN 2002], [DUR], [HAL 2000]

Matériaux T (K) ρ (kg/m3) k (W/m·K) Cp (J/kg·K) Chaleur latente (KJ/kg)

Glace 253 920 2,03 1945 Hydrates de sel 1600 2000 230

Paraffines 300 900 0,24 2890 190

Tableau B2 : Propriétés thermophysiques générales de MCP [HAS 1998]

16 N.D. Non Disponible

100

Matériaux Formule Point de fusion (°C) Chaleur latente (kJ/kg) Acide acétique CH3COOH 16.7 184 Glycol polyéthylène 600 H(OC2H2)n·OH 20-25 146 Acide caprique CH3(CH2)8·COOH 36 152 Acide eladique C8H7C9H16·COOH 47 218 Acide laurique CH3(CH2)10·COOH 49 178 Acide pentadecanoique CH3(CH2)13·COOH 52.5 178 tristearin (C17H35COO)C3H5 56 191 Acide myristique CH3(CH2)12·COOH 58 199 Acide palmatique CH3(CH2)14·COOH 55 163 Acide stearique CH3(CH2)16·COOH 69.4 199 Acetamide CH3CONH2 81 241 Fumarate de méthyle (CHCO2NH3)2 102 242

Tableau B3 : Propriétés thermophysiques de certains acides gras [SHA 2008]

101

ANNEXE C : MCP disponible sur le marché

Nom du MCP

Type de produit

Température de fusion (°C)

Chaleur latente (kJ/kg)

Densité (kg/dm3)

Fabricant

SN33 Solution de sel -33 245 1.24 Cristopia [CRI]

TH-31 N.D. -31 131 N.D. TEAP [TEA]

SN29 Solution de sel -29 233 1.15 Cristopia [CRI]

SN26 Solution de sel -26 268 1.21 Cristopia [CRI]

TH-21 N.D. -21 222 N.D. TEAP [TEA]

SN21 Solution de sel -21 240 1.12 Cristopia [CRI]

SN18 Solution de sel -18 268 1.21 Cristopia [CRI]

TH-16 N.D. -16 289 N.D. TEAP [TEA]

SN15 Solution de sel -15 311 1.02 Cristopia [CRI]

SN12 Solution de sel -12 306 1.06 Cristopia [CRI]

SN10 Solution de sel -11 310 1.11 Cristopia [CRI]

TH-10 N.D. -10 283 N.D. TEAP [TEA]

SN06 Solution de sel -6 284 1.07 Cristopia [CRI]

TH-4 N.D. -4 286 N.D. TEAP [TEA]

SN03 Solution de sel -3 328 Cristopia [CRI]

ClimSel C 7 N.D. 7 130 1.01 Climator [CLI]

RT5 Paraffine 9 205 N.D. Rubitherm GmbH [RUB]

ClimSel C 15 N.D. 15 130 D.D Climator [CLI]

ClimSel C 23 Hydrate de sel 23 148 1.48 Climator [CLI]

RT25 Paraffine 26 232 N.D. Rubitherm GmbH [RUB]

S27 Hydrate de sel 27 207 1.47 Cristopia [CRI]

RT30 Paraffine 28 206 N.D. Rubitherm GmbH [RUB]

TH29 Hydrate de sel 29 188 N.D. TEAP [TEA]

ClimSel C 32 Hydrate de 32 212 1.45 Climator [CLI]

102

sel

RT40 Paraffine 43 181 N.D. Rubitherm GmbH [RUB]

AC27 N.D. 27 185 N.D. Cristopia [CRI] ClimSel C 48 N.D. 48 227 1.36 Climator [CLI]

RT50 Paraffine 54 195 N.D. Rubitherm GmbH [RUB]

TH58 N.D. 58 226 N.D. TEAP [TEA] ClimSel C 58 N.D. 58 259 1.46 Climator [CLI]

RT65 Paraffine 64 207 N.D. Rubitherm GmbH [RUB]

ClimSel C 70 N.D. 70 194 1.7 Climator [CLI]

RT80 Paraffine 79 209 N.D. Rubitherm GmbH [RUB]

TH89 N.D. 89 149 N.D. TEAP [TEA]

RT90 Paraffine 90 197 N.D. Rubitherm GmbH [RUB]

RT110 Paraffine 112 213 N.D. Rubitherm GmbH [RUB]

Tableau C1 : MCP disponibles commercialement