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Le stockage latent de l’énergie Stéphane Bilodeau, ing., Ph.D. Groupe Énerstat inc. [email protected]
Stéphane Bilodeau, ing., Ph.D. • Formation
– Bacc. en génie mécanique, U. Sherbrooke, 1991; – M.Sc. en sciences appliquées, U. Sherbrooke, 1994; – Ph.D. en génie mécanique, U. Sherbrooke, 1998; – Collège des administrateurs de sociétés, Université Laval,
2012- (en cours) • Spécialité
– Thermodynamique avancée – Énergétique – Stockage thermique – Changement de phase
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Stéphane Bilodeau, ing., Ph.D. • Parcours professionnel
– Président-fondateur du Groupe Énerstat inc. • Clients : IBM, Honeywell, Johnson Controls, Environnement Canada, Kruger, Transport
Canada, etc. • Développement de technologies reconnues
– Plusieurs brevets internationaux » Systèmes thermiques : Canada, USA, Europe, Japon
– Technologies lauréates de prix : » ASHRAE Technology Award Industrial 2007 » Trophée Contech 2003 » AQME Prix Energia - Innovation technologique 2006 et Transport 2003
– Président du Conseil de Novacab inc. • Déploiement en Amérique du Nord • Système de stockage thermique pour véhicules
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Stéphane Bilodeau, ing., Ph.D. • Parcours professionnel
– Chargé de cours et professeur associé, U. Sherbrooke • Énergétique, Chauffage et climatisation, Thermodynamique appliquée
– Vice-président en titre et aux Affaires publiques de l’Ordre des ingénieurs du Québec
• Président du comité d’orientation des affaires publiques (2008-2014) • Président du comité des finances (2009-2012) • Vice-président de la Fondation de l’OIQ (2010-2014)
– Membre du conseil d’Ingénieurs Canada • Vice-président du comité des relations gouvernementales et des affaires
publiques (2013-2014)
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Plan de cette présentation
• Stockage latent : mythes et réalité • Principe du changement de phase • Matériau à changement de phase • Régulation thermique • Concept de batterie thermique • Conclusion
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Stockage latent : Mythes et réalité • Le stockage thermique latent semble nouveau, • Mais le principe est exploité par l’homme
depuis les débuts de la civilisation.
Le plus grand système de stockage thermique par changement
de phase du monde…
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Principe du changement de phase • Chaleur sensible et chaleur latente
– Tout matériau, solide ou liquide (ou gazeux) possède une capacité à stocker ou céder de l'énergie sous forme de chaleur.
– On distingue 2 types de transfert de chaleur (ou transfert thermique):
• Le transfert thermique par Chaleur Sensible (CS) • Le transfert thermique par Chaleur Latente (CL)
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Principe du changement de phase • Le transfert thermique par Chaleur Sensible (CS)
– Le matériau peut céder ou stocker de l'énergie en voyant varier sa propre température, sans pour autant changer d'état
• donc, pas de changement de phase...
– La grandeur utilisée pour quantifier la CS échangée par un matériau est la Chaleur Massique, notée Cp et exprimée en J/(kg.K).
Évidence ... Cp = 4186 J/kgK il faut 4186 joules pour élever 1 kg d'eau de 1 °C ; mais aussi, on peut retirer 4186 joules, lorsqu’on fait baisser la température de 1 °C (valable aux températures proches de 20 °C)
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Principe du changement de phase • Le transfert thermique par Chaleur Latente (CL)
– Le matériau peut stocker ou céder de l'énergie par simple changement d'état, tout en conservant une température constante, celle du changement d'état.
– La grandeur utilisée pour quantifier la CL échangée par un matériau est la Chaleur Latente de Changement de Phase
• notée Lf (f pour fusion) pour un changement de phase Liquide/Solide,
• et Lv (v pour vaporisation) pour un changement de phase Liquide/Vapeur. Celle-ci est exprimée en J/kg.
– Exemple : • Lf = 330 kJ/kg signifie que la fusion, c'est-à-dire la fonte, de 1 kg de
glace à la température (constante) de 0 °C nécessitera une énergie de 330000 joules soit 330 kJ.
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Principe du changement de phase
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Et donc, Pourquoi le changement de phase…, Exemple : La fonte d’un kilogramme de glace absorbe autant d’énergie qu’un réservoir de 80 litres d’eau qui voit sa température augmenter de 1°C.
Matériau à changement de phase • Les MCP absorbe ou restitue la chaleur lors du passage de
l’état solide à l’état liquide (et vice-versa). • Ce transfert traduit les bouleversements survenant dans la structure
même de la matière, au niveau des liaisons entre atomes et molécules, plus fortes dans un solide que dans un liquide et quasiment nulles pour un gaz.
• Les MCP reposent sur l’application d’un principe physique simple : Au-delà d’une température caractéristique de chaque matériau, ils se liquéfient en absorbant la chaleur ambiante. – Cette propriété du matériau est liée a son énergie de fusion par
unité de volume. Plus celle-ci est grande, plus les propriétés de stockage/déstockage de la chaleur sont intéressants.
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Matériau à changement de phase • Il existe de nombreux types de matériaux à
changement de phase, de nature physico-chimique très différentes. – Différents types de changement de phase sont
envisageables pour le stockage de l’énergie. • Par ex. Liquide-Gaz (fluides réfrigérants) ; mais ceux-
ci demande des pressions ou des volumes importants pour stocker à l’état gazeux.
• On distingue 3 grandes familles de MCP (liquide-solide).
– Ce sont leurs caractéristiques de fusion-cristallisation qui les rendent intéressants pour le stockage de chaleur latente.
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Matériau à changement de phase • Les 3 grandes familles de MCP :
– Les composés minéraux (ou inorganiques). • Parmi ces composés, surtout les sels hydratés présentent un intérêt pour
leur utilisation en tant que MCP. Ils sont issus d'un alliage de sels organiques et d'eau. Ils ont l'avantage de posséder des grandes chaleurs latentes et des prix bas. En revanche, leur principal défaut concerne leur tendance à la surfusion.
– Les composés organiques. • De propriétés thermiques (chaleur latente et conductivité thermique en
particulier) légèrement moindre que les sels hydratés, ceux-ci présentent l'avantage d’être moins ou très peu concernés par la surfusion. On utilise en particulier, pour le stockage de chaleur latente, les paraffines et les acides gras qui appartiennent à cette famille.
– Les composés eutectiques. • Les eutectiques sont un mélange de sels possédant une température de
fusion constante pour une valeur particulière de concentration. Ils peuvent être inorganiques et/ou organiques.
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Régulation thermique • Régulation thermique passive ou Régulation thermique active
– 1) Régulation passive • Si l'on intègre ce dernier à l'enveloppe (murs extérieurs,
plancher, plafond, ...) d'un bâtiment, il devient alors possible de stocker de la chaleur lorsque celle-ci est surabondante (été) ou présente au mauvais moment (dans la journée l'hiver).
– En été, l'énergie solaire apportée au cours de la journée est stockée au fur et à mesure par les parois et ce, sans fluctuation excessive de la température à l'intérieur du bâtiment. Il est alors possible d'écrêter de 3 °C à 5 °C les pics de température d'une pièce.
– En hiver, on peut de la même manière stocker la chaleur apportée par le soleil dans les MCP incorporés aux parois ; ceux-ci restitueront la chaleur accumulée dans la journée à la fin de la journée et pendant la nuit.
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Régulation thermique • Régulation thermique…
– 2) Régulation active • Le caractère isotherme ou quasi isotherme de la charge et
de la décharge énergétique d'un MCP permet son utilisation en temps que régulateur de température.
• Tout MCP peut servir de déphaseur thermique. • Tout apport ou perte énergétique (variation de température,
rayonnement solaire,...) sur un système avec caloporteur en provenance du bâtiment ou d’un changement d’opération peut provoquer la fusion ou la cristallisation du matériau à température quasi constante.
• Le système ou le procédé situé de l'autre côté du MCP ne ressent pas aussitôt l'effet de cet apport ou de cette perte, mais ne commencera à le ressentir qu'après la fusion ou la cristallisation du matériau.
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Régulation thermique Une approche de stockage
optimale : Stockage partiel (“Load-leveling”)
Stockage partiel
Par opposition à l’approche intégrale (« Full Storage »)
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La stratégie d’opération en stockage partiel Les systèmes mécaniques sont opérés pour subvenir à une partie de la charge en période de pointe; le reste de la demande (en excès) est repris par le réservoir de stockage thermique.
Lorsque la demande est plus faible que la capacité mécanique, le surplus d’énergie est stocké.
Lorsque la demande excède la puissance installée, la demande supplémentaire est comblée par le stockage thermique.
Cette approche, dite de “Load-Leveling” ou Lissage, permet de limiter la production d’énergie thermique malgré des fluctuations importantes de la demande. Le stockage partiel minimise la capacité requise au niveau des équipements et du réservoir de stockage.
Déstockage
1
2
1
2
Stockage
Fluctuation du coût de l’énergie sur une période
Valeur moyenne des coûts de l’énergie
Régulation thermique
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Concept de Batterie thermique
• Un réservoir de stockage thermique permet de déphaser la production par rapport à la demande pour tirer profit de coûts d’énergie plus faibles ou d’une efficacité énergétique plus grande : Régulation
Production de chaleur ou de froid
Consommation Bâtiment
ou procédé
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Concept de batterie thermique
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Déc
harg
e
Production Refroidisseurs
Demande Bâtiment
Déviation
V2
MCP1
T2
V1
MCP2
Distribution (dans le bâtiment)
T1
T3
T4 T5
Batterie thermique
Char
ge
Application de la régulation active
Avantages de la régulation active par le stockage thermique latent : 1) REDUCTION de la POINTE d’énergie électrique - Les pointes sont absorbées par le réservoir de stockage 2) REDUCTION de la CONSOMMATION d’énergie
- Les charges partielles sont assumées par le réservoir de stockage 3) Contrôle SIMPLE - Décharge variable conduite par une pompe et une valve modulante - Minimise l’entretien et les arrêts-départs des équipements en place 4) SECURISATION de l’approvisionnement en énergie thermique 5) Peu d’entretien: pas de pièces mobiles
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Concept de batterie thermique Application de la régulation active
• À titre d’exemples, le stockage s’applique lorsque :
• les pointes de consommation thermique sont importantes (fluctuations);
• des rejets thermiques sont disponibles, mais non en phase avec la demande;
• les équipements en place sont fréquemment sollicités pour des charges partielles (p/r à la capacité nominale);
• la consommation d’énergie électrique est fluctuante et la consommation d’énergie thermique est importante (délestage).
Concept de batterie thermique Applications
Conclusion
Mythe et réalité Le mythe
I. Le stockage latent implique des dimensions importantes II. Le stockage latent est complexe et trop dispendieux
La réalité I. Le stockage par matériau à changement de phase offre des
densités de 10 à 20 fois plus grandes qu’un réservoir d’eau I. 1 kg de mazout vaut :
I. 11 kWh (40 tonnes d’eau sortant d’un barrage de 100 m de hauteur)
II. 1 tonne d’eau élevée de 10 °C (dans un réservoir) III. 80-180 kg de MCP…
II. Une régulation active établie suivant une simple approche
de stockage partiel peut générer des retours plus rapides sur l’investissement en évitant de sur-dimensionner les systèmes mécaniques.
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La régulation active avec batterie thermique par matériau à changement de phase…
→ Permet de tirer profit : – de coûts d’énergie saisonniers plus faibles ; – d’une plus grande efficacité énergétique ; – de plus de sécurité d’approvisionnement en chaleur/froid
1) CHARGE DE LA BATTERIE 2) STOCKAGE THERMIQUE 3) DÉCHARGE DE LA BATTERIE
Consommation Bâtiment ou procédé
Production CHALEUR FROID
Conclusion
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Références • Pare, D., Bilodeau, S., “TES without Ice”, ASHRAE Journal, p46-p49,
July 2007 • Bilodeau, S., “Energy Management of a Chilled Water Plant Using
Thermal Storage”, EcoStock The Tenth International Conference on Thermal Energy Storage, The International Energy Agency, IEA Annex 20, June 2006.
• MacCracken, M. “Thermal energy storage in sustainable buildings.” ASHRAE Journal, 46(9), pS2–pS5, 2004
• Bilodeau, S., “Thermal Storage to Optimize Passenger Shuttle Cooling Systems Operating in Severe Conditions”, SAE International, SAE Commercial Vehicle Engineering Congress, November 2005.
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Activité à réaliser hors-classe • Activité 1 : Compact (COMPAraison Capacité Thermique)
– Comparaison des quantités d’énergie stockée – Comparaison du volume de stockage
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