ECOLE DES MINES DE DOUAI

___________

LAGHZAOUI (Amine)

PEERHOSSAINI (Donia)

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

STOCKAGE DE CHALEUR :

ENERGIE SOLAIRE ET AUTRES

APPLICATIONS

(HEAT STORAGE: SOLAR ENERGY AND OTHER

APPLICATIONS)

Promotion 2013 Année Scolaire 2009 -2010

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3

REMERCIEMENTS

Nous tenons à remercier toutes les personnes qui nous ont aidées à réaliser

cette étude en apportant des renseignements ou en acceptant de répondre à nos

questions, plus particulièrement nous remercions Mr Jean- Luc HARION notre

parrain du département Energétique Industrielle de l’Ecole, Mme Nathalie MAZET

enseignant chercheur (spécialiste de stockage et de transport de chaleur et de froid)

et Monsieur le Professeur Xavier PY (spécialiste de stockage de chaleur) - CNRS-

Laboratoire PROMES – Perpignan, et enfin le centre de documentation de l’Ecole.

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Table des matières

REMERCIEMENTS ........................................................................................................................... 3

RESUME .............................................................................................................................................. 7

ABSTRACT ......................................................................................................................................... 9

INTRODUCTION............................................................................................................................. 11

CHAPITRE I :LES RAISONS D’UN STOCKAGE DE CHALEUR ................................. 13

I. Les raisons d’un stockage de chaleur ........................................................................................... 15

I.1 Demandes et défis énergétiques [1][6][7] ........................................................................................ 15

I.2. Les énergies renouvelables [1][5][7] ..................................................................................................... 18

I.3. L’importance de l’énergie solaire [5][9] ................................................................................................ 20

CHAPITRE II :PRINCIPE DU STOCKAGE DE CHALEUR.................................................. 23

II.1. Supports et procédés solaires [5][6][8][10][11]............................................................................ 25

II.1.1. Procédé solaire non-concentré ......................................................................................................... 25

II.1.2. Procédé solaire concentré ................................................................................................................. 29

II.2. Principe du stockage de chaleur [4][5][12] .................................................................................... 31

II.2.1. Stockage par chaleur sensible .......................................................................................................... 31

II.2.2. Stockage par chaleur latente............................................................................................................. 34

CHAPITRE III :DIFFERENTS PROCEDES DE STOCKAGE DE CHALEUR ET

TRAITEMENT DU FROID ............................................................................................................ 37

III.1.Les bacs à glaces [2][3] .................................................................................................. 39 III.1.1. Définition et principe de fonctionnement ........................................................................................ 39

III.1.2. Description des matériaux utilisés ................................................................................................... 41

III.1.3.Conclusion ........................................................................................................................................... 42

III.2.Nodules encapsulées [2][4][5] .......................................................................................................... 42

III.2.1. Matériaux à changement de phase (PCM) .................................................................................... 42

III.2.2. Description du matériel ..................................................................................................................... 45

III.2.3.Principe de fonctionnement ............................................................................................................... 45

III.2.4. Conclusion .......................................................................................................................................... 46

III.3.Accumulateurs de vapeur [5][12] ..................................................................................................... 47

III.3.1. Description du matériel et principe de fonctionnement ................................................................ 47

III.3.2. Conclusion………………………………………………………………………………………………………………………….47

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CONCLUSION ................................................................................................................................. 49

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................. 51

GLOSSAIRE .................................................................................................................................... 53

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RESUME _______________________________________

Le but de ce travail est de faire une étude bibliographique sur l’état du stockage thermique de l’énergie et en particulier de l’énergie solaire.

L’énergie solaire, par sa nature possède des caractéristiques particulières : elle est intermittente (jour/nuit), aléatoire (orages et passages de nuages), diluée et décalée par rapport aux demandes énergétiques quotidiennes ou saisonnières. Par ailleurs l’énergie solaire est la source la plus abondante sur la Terre ; l’énergie solaire reçue au sol en moyenne annuelle représente 6 000 fois l’actuelle consommation mondiale annuelle en énergie. Il est donc indispensable de trouver des solutions scientifiques et technologiques pour dépasser les inconvénients caractéristiques de l’énergie solaire et bénéficier pleinement de cette source inépuisable d’énergie renouvelable.

Dans cette étude bibliographique, nous décrivons dans le chapitre I les raisons pour lesquelles il est nécessaire de stocker l’énergie pendant la période où elle est abondante. Ensuite, de la restituer au moment où les besoins se présentent.

Les différentes technologies solaires et leurs domaines d’applications sont discutés dans le chapitre II. Dans la première partie de ce chapitre, nous montrons que la « dilution » de l’énergie peut être compensée par la concentration de rayonnement solaire en utilisant divers filières de concentration. Les aspects d’intermittence et de décalage de l’offre/demande sont vus sous l’angle du stockage. Dans la deuxième partie de ce chapitre, nous exposons les techniques de stockage d’énergie par chaleur sensible et chaleur latente. Pour chaque mode, différentes techniques sont expliquées et les propriétés thermophysiques des divers matériaux correspondants sont données. Ces tableaux de données sont des aides précieuses pour faire le choix de la méthode et des matériaux.

Le dernier chapitre élargit notre étude aux cas concrets de stockage de l’énergie provenant du solaire mais aussi d’autres sources.

MOTS MATIERES

Energie solaire Solaire thermodynamique

Stockage thermique Solaire concentré

Stockage par chaleur sensible Solaire non-concentré

Stockage par chaleur latente

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ABSTRACT ________________________________________________

This work reports a literature search on the state of thermal storage of energy and

particularly the storage of solar energy.

The solar energy is characterized by some specific aspects: it is intermittent

(day/night), random (storm and cloud passages), diluted, and also there is a lag

between the energy offer and the demand; daily or seasonal. The solar energy is

also the most abundant primary source of energy on the earth; the average yearly

solar energy received on the earth is 6000 times that of the present world energy

consumption. Therefore, it is crucial to find scientific and technological solutions to

overcome the inconvenient characteristics of the solar energy and fully exploit this

unlimited source of renewable energy.

In this literature search, we explain in the chapter I the reasons for storing the energy

during its period of abundance and restore it when the energy is demanded.

Different solar energy technologies and their corresponding domains of application

are described in the chapter II. In the first part of this chapter, we show that the

“dilution” problem of the solar energy can be remedied by concentrating the solar

radiation on different types of receivers. The “intermittency” and the “lagging” aspects

are addressed in the “storage” section. In the second part of this chapter, we expose

the energy storage by “sensible” and “latent” heat modes. For each mode, the

specific technologies are detailed and the thermophysical properties of the materials

used for heat storage are tabulated. These tables contain invaluable information for

making the choice of appropriate storage technology/materials in real applications.

The last chapter is dedicated to the case studies of real applications of the thermal

storage of energy: solar and other resources.

Key Words

Solar energy Thermodynamic solar energy

Thermal storage Concentrated solar energy

Storage by sensible heat Non-concentrated solar energy

Storage by latent heat

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11

INTRODUCTION

La demande énergétique mondiale est actuellement de l’ordre de 12,5 Gtep

et, selon les scénarios, elle pourrait être contenue dans une fourchette allant de 20 à

25 Gtep à l’horizon 2050. En parallèle, les quantités de CO2 générées annuellement

s’établissent aujourd’hui à près de 6,5 Gt : elles sont à l’origine, par les mécanismes

naturels mis en jeu, d’une accumulation de 3 GtC (giga tonne de carbone) par an

dans l’atmosphère. Cette situation conduirait à un accroissement sensible de la

température moyenne à la surface de la terre entre 1,5 °C et 5,8 °C d’ici 2100. Ceci

représente une augmentation sans précédent qui s’accompagnerait en particulier de

la montée du niveau des mers de 20 cm à 1m.

Face à ces enjeux maintenant classiques, une contribution scientifique et

technologique relative aux problèmes actuels concernant l’énergie ne peut ignorer

des questions cruciales notamment à cause de leur retentissement géopolitique,

telles que:

la sûreté de l’approvisionnement (tensions, demandes des pays en voie de

développement,…)

la raréfaction des ressources fossiles disponibles à un coût raisonnable,

l’impact environnemental (CO2, Santé…), la minimisation des risques et la

sécurité.

Les énergies renouvelables apparaissent comme une solution, bien entendu

partielle, à cette urgence. Parmi les énergies renouvelables, l’énergie solaire montre

une attractivité spécifique : elle est abondante sur Terre, inépuisable et gratuite. En

effet, l’énergie solaire reçue au niveau de la terre est de l’ordre de1300 W/M2.

L’atmosphère réfléchit et absorbe une partie de ce flux d’énergie, en moyenne la

terre reçoit au niveau de sol 1000 W /M2 au vertical à midi.

Cependant, l’énergie solaire, par sa nature est intermittente (jour/nuit), aléatoire

(orages et passages de nuages) diluée et décalée par rapport à la demande

énergétique quotidienne ou saisonnière. Donc, il est indispensable de trouver des

solutions scientifiques et technologiques pour surmonter ces inconvénients

caractéristiques de l’énergie solaire et bénéficier pleinement de cette source

inépuisable d’énergie renouvelable. Ce travail bibliographique a pour ambition de

contribuer à ce débat.

Dans ce travail, nous nous intéressons aux applications « thermodynamiques » du

stockage d’énergie. Pour l’énergie solaire en particulier, il s’agit de convertir le

rayonnement solaire directement en chaleur. Il existe aussi la transformation

photovoltaïque du rayonnement solaire. Dans cette dernière voie, le rayonnement

solaire est transformé en électricité. La transformation photovoltaïque requière des

installations plus sophistiquées et plus coûteuses que la conversion thermique. De

12

plus, le rendement des piles photovoltaïques est actuellement modeste; autour de 12

à 15%.

Un bon usage d’énergie thermique demande d’abord une bonne réception et

conversion de cette énergie en contournant les problèmes de «dilution » et

« d’intermittence ».

Deux types d’usages d’énergie est à distinguer : usage domestique pour la

production de l’eau chaude sanitaire et du chauffage des bâtiments résidentiels et

tertiaires, et centrales de production d’électricité par concentration du rayonnement

solaire via des réflecteurs de formes diverses et mobiles (suivi du soleil). Parmi

toutes les applications possibles, une seule d’entre-elles, les systèmes de chauffe-

eau et de chauffage solaire du bâtiment, peut être considérée comme mature. Le

rendement des systèmes récents est de l’ordre de 40%.

Dans la première partie du chapitre II de ce rapport, nous exposons les différentes

procédés solaires, sans et avec concentration, alors que dans la deuxième partie de

ce même chapitre nous traitons la question du stockage de l’énergie. Enfin, le

chapitre III est consacré à l’étude de cas faisant intervenir le stockage de la chaleur

provenant aussi bien du solaire que d’autres ressources.

13

Chapitre I

Les raisons d’un stockage

de chaleur

I.1 : Demandes et défis énergétiques

I.2 : Les énergies renouvelables

I.3 : L’importance du solaire

14

15

I. Les raisons d’un stockage de chaleur

I.1 Demandes et défis énergétiques [1][6][7]

Une demande croissante d’énergie

L’énergie est indispensable pour nos activités économiques et dans les

multiples aspects de notre vie quotidienne. Cette énergie est principalement utilisée

dans trois secteurs principaux : habitat, transport et l’industrie (en France : 43,6%,

31,5 et 24,9% respectivement). Dans chacun des secteurs l’énergie est consommée

essentiellement sous forme thermique (chaleur ou froid) ou sous forme d’électricité.

Le développement économique, aussi bien dans les pays industrialisés que dans les

pays en voie de développement (à une moindre mesure) est directement lié à

l’énergie. Ainsi, la demande énergétique mondiale augmente constamment, ceci est

du à deux raisons :

- l’accroissement rapide de la population avec près de 200 000 hommes

supplémentaires par jours,

- l’augmentation de notre niveau de confort (climatisation, chauffage,

électroménagers, transport, ordinateurs, éclairage, etc.) et l’émergence des

nouveaux pays industrialisés très peuplés (la Chine, l’Inde, le Brésil, l’Afrique

de Sud, etc.) et dont le niveau de vie s’améliore.

L’omniprésence de l’électricité est un exemple flagrant de notre constante

dépendance en l’énergie : une panne générale d’électricité nous paralyse.

On distingue quatre types d’énergie :

- l’énergie primaire qui correspond aux éléments avant la transformation de

sources d’énergie (charbon, pétrole, uranium)

- l’énergie secondaire obtenue après la transformation (essence, gasoil)

- l’énergie finale qui arrive chez les consommateurs (électricité, fuel

domestique)

- l’énergie utile correspondant à la quantité d’utilisation requise.

La Figure 1-1 donne un aperçu de l’évolution de la consommation mondiale en

énergie primaire pour des années choisies arbitrairement : la consommation entre

1900 et 2000 a quasiment été multipliée par 10 alors que la population n’a été

multipliée que par 4. La cause vient évidemment de l’élévation du niveau de vie et de

la démocratisation de l’accès au confort. Ainsi aujourd’hui, la consommation en

16

énergie primaire, majoritairement d’énergie fossile (pétrole, gaz naturel, charbon),

s’élève à une dizaine de Gtep (1 tep = 42 x 109 joules).

Figure 1-1 : Consommation mondiale d’énergie primaire (données de Wikipédia)

Cependant, cette exploitation massive et croissante des énergies fossiles

présente des limites. Certaines régions ont élaboré des alternatives depuis plusieurs

années car elles ne disposent pas (ou plus) de ces ressources à l’origine d’un fort

rendement. D’autre part, ces combustibles fossiles sont des ressources épuisables,

ce qui a entrainé (pour une partie) la hausse des prix des combustibles fossiles qui

sont dorénavant difficile à se procurer d’un point de vue économique. Enfin, cette

exploitation contribue à une émission massive de gaz à effet de serre dans

l’atmosphère qui contribue à l’augmentation de la température de la planète Terre et

le dérèglement climatique. Cette dernière conséquence mérite un peu plus

d’attention.

Effet de serre

L’effet de serre est essentiel à notre survie dans la mesure où la présence de gaz

(vapeur d’eau, gaz carbonique etc.) en faible quantité dans l’atmosphère terrestre

augmente la température moyenne sur Terre pour atteindre 15°C. Sans cet effet

nous aurions une température moyenne à la surface de – 18°C, difficilement

habitable pour l’homme. Cependant, depuis quelques dizaines d’années, l’utilisation

d’énergies fossiles et les activités industrielles ont fortement accentué cet effet :

elles ont libéré les gaz à effet de serre (surtout CO2) des millions de fois plus vite

17

qu’il n’avait été stocké par des processus naturels (plantes, roches, océan) et ne

peuvent plus être compensés. En effet, les activités humaines provoquent une

émission de CO2 double à ce qui peut être absorbée par les processus naturels.

L’ampleur de l’émission de CO2 lors de l’utilisation de combustibles fossiles s’évalue

par le rapport suivant :

Plus ce rapport est faible, plus de CO2 sont libérés.

Ainsi, la concentration en CO2 (gaz à effet de serre que les hommes rejettent le

plus), augmente dans l’atmosphère et réchauffe la planète. On parle de

changements climatiques mais l’importance de ces changements est actuellement

difficile à prédire d’une façon précise.

Par conséquent, une de nos premières préoccupations doit être de trouver des

énergies alternatives à ces énergies fossiles tout en réglant le problème lié à l’effet

de serre : il s’agit du défi énergétique du XXIème siècle.

Défi énergétique

Les objectifs ciblés sont multiples et diverses:

- contribuer à l’approvisionnement dans le monde d’une énergie propre

(décarbonée) et durable ; les énergies renouvelables,

- veiller à la préservation du patrimoine naturel (ressources, climat et

environnement),

- introduire de manière importante sur le marché les énergies renouvelables,

- assurer une formation commune sur les énergies renouvelables pour assurer

une continuité dans leurs utilisations et leurs développements.

Une des solutions pourrait être de capter le CO2 et de le stocker dans les

installations (par exemple les réserves sous terrains) tout en utilisant toujours les

combustibles fossiles ; mais pour le moment les études menées et les simulations

élaborées ne renvoient pas à des résultats techniquement fiables et efficaces, et

économiquement viables.

Dans cette optique de défi énergétique, le protocole de Kyoto impose une réduction

en 2012 des émissions de gaz à effet de serre de 5,2 % par rapport à 1990. Donc,

l’homme doit chercher les alternatives pour les énergies fossiles.

18

I.2. Les énergies renouvelables [1][5][7]

Contrairement à ce que l’on appelle parfois « énergies nouvelles »,

l’exploitation des énergies renouvelables n’est pas récente. D’ailleurs, elles ont été

utilisées pendant une période plus longue que les combustibles fossiles, c’est- à- dire

depuis que les premiers hommes ont exploité le bois pour se réchauffer et cuire la

nourriture. L’exploitation massive et majoritaire des combustibles fossiles existe

depuis le début du XXème siècle pour des raisons économiques et est en partie

responsable de l’augmentation de la population mondiale.

Ainsi de nos jours, comme en donne un aperçu la Figure 1-2, dans le mixte

énergétique les énergies renouvelables (hydraulique, solaire, éolienne, biomasse…)

occupent une place moins importante que les combustibles fossiles.

Figure1- 2: Répartition de l’énergie finale mondiale en 2006 selon les sources d’énergie (données

calculées à partir de Keyworld Energy Statistics, 2008, Agence internationale de l’énergie)(Ngô,

2008).

Face à ce fait, la communauté européenne a imposé l’introduction des énergies

renouvelables dans la production d’électricité pour 2010 pour tous les pays. Par

ailleurs, beaucoup de pays européens comme la Suède et l’Autriche ont déjà intégré

de manière assez importante les énergies renouvelables dans leur mixte

énergétique. La Figure 1-3 montre la part des énergies renouvelables dans

l’électricité en Europe en 2000 et objectifs à atteindre en 2010 (Pincemin, 2007).

19

Figure 1-3 : Parts des énergies renouvelables dans la production d’électricité dans quelques

pays européens et objectifs à atteindre en 2010 (Pincemin, 2007)

Les avantages des énergies renouvelables sont qu’elles peuvent être exploitées

aussi longtemps que la Terre existera et sont gratuites. Cependant, elles sont

relativement chères à récupérer étant donnée leurs faibles rendement et leur

intermittence (par exemple, le soleil est absent pendant la nuit), ce qui nuit à leur

compétitivité du point de vue économique et leur intégration (sous forme d’électricité)

dans les réseaux de distribution d’électricité.

Ainsi, la substitution massive des combustibles fossiles par les énergies

renouvelables requise par le défi énergétique, est un processus long car il demande

de faire sauter un grand nombre des verrous scientifiques et une évolution

importante des technologies, ce qui nécessite des investissements et subventions

élevés.

L’objectif de cette étude est de faire le point, à partir des sources bibliographiques

notamment des articles dans les revues scientifiques et technologiques, sur le

stockage de chaleur. Etant donnée que la source de chaleur la plus abondante et la

plus accessible sur Terre est le Soleil, dans la suite de ce rapport nous nous

intéresserons à l’énergie solaire comme une source renouvelable de chaleur. Ceci ne

nie aucunement l’existence des autres sources de chaleurs renouvelables comme

par exemple l’énergie géothermique. De plus, au niveau de l’énergie solaire nous

allons nous concentrer sur l’énergie solaire thermique, car c’est dans ce type de

conversion d’énergie solaire que le problème du stockage de chaleur se pose. Dans

le procédé de conversion photovoltaïque (PV) de l’énergie solaire, l’énergie est

convertie en électricité est stocké dans les batteries.

20

I.3. L’importance de l’énergie solaire [5][9]

A chaque nouvelle source d’énergie que l’on suppose exploitable apparaît une

technologie nouvelle. Le solaire est une source qui suscite beaucoup d’intérêt

aujourd’hui par son grand potentiel non exploité : le Tableau 1 compare les

potentialités théoriques brutes des énergies renouvelables plus conventionnelles,

elles-mêmes indirectement d’origine solaire, à cette ressource solaire brute.

Tableau 1 : Tableau de comparaison des potentialités mondiales de quelques énergies renouvelables (Quelques enjeux et défis de recherche en énergie 2009)

Potentialités mondiales Part ressource solaire

Hydraulique 5 Gtep 0.0001

Biomasse 100 Gtep 0.001

Eolien 1 500 Gtep 0.02

Solaire 75 000 Gtep

L’intérêt porté à l’énergie solaire vient du fait qu’au niveau mondial, compte-tenu de l’ensoleillement réel, l’énergie solaire reçue au sol en moyenne annuelle se monte à environ 75 000 Gtep ou 0,9 milliards de TWh (1 Gtep = 11 630 TWh). Cette énergie représente 6 000 fois la consommation mondiale annuelle actuelle d’énergie qui est de 12.5 Gtep. .Elle est en plus, à l’origine de toutes les énergies renouvelables, mis à part la

géothermie.

En effet, l’énergie provenant du Soleil (6,62 x 106 EJ) se répartit en plusieurs

fractions, chacune intervient dans un phénomène distinct (Ngô, 2008):

- 1,96 x106 EJ des rayonnements sont réfléchis dans l’espace

- 2,6 x 106 EJ est convertie en chaleur

- 1,26 x 106 EJ participe au cycle de l’eau (évaporation) et donc à l’origine de

l’énergie hydraulique

- 1,17 x 104 EJ créé des différences de températures sur Terre ce qui entraîne

des mouvements d’air (vent, vague, courant) conditionnant l’énergie éolienne

et certaines énergie provenant des mers

- 1,26x 103 EJ est consommé dans le procédé de photosynthèse des plantes

donc elle contribue à la biomasse.

Cependant, l’inconvénient majeur de l’énergie solaire est qu’il s’agit d’une source

intermittente (nuit, soleil occulté par les nuages) et qui est parfois en inadéquation

avec les besoins d’un point de vue spatial, temporel, en puissance ou en

température. La solution est donc de stocker la chaleur produite par l’énergie solaire

(thermique) pour répondre aux besoins énergétiques au moment et à l’endroit ou

ceux-ci se manifestent.

21

Ce stockage serait dédié en grande partie aux habitats ou locaux tertiaires pour le

chauffage en hiver et la climatisation en été, ainsi qu’aux besoins d’eau chaude

sanitaire, ce qui représente près de la moitié (43,6% en France) de l’énergie

consommée dans les pays européens.

Comme nous allons le décrire dans le chapitre suivant l’énergie solaire thermique

peut être convertie par les capteurs non-concentrés, pour des besoins résidentiels

ou tertiaires à basse température. Elle peut être également convertie par les capteurs

solaires concentrés pour des applications à hautes températures comme la

production d’électricité (par turbine à gaz par exemple) ou pour des besoins

industriels. Pour chaque type de production il faut recourir à la technique de stockage

appropriée.

La qualité d’un système de stockage réside en son architecture (enveloppe,

échangeur…) et les matériaux utilisés afin d’augmenter la puissance de stockage et

de maîtriser le rapport énergie/puissance : c’est ce qui fera l’objet de notre prochain

chapitre.

22

23

Chapitre II

Principe du stockage de

chaleur

II.1. Supports et procédés solaires

II.1.1. Procédé solaire non-concentré

II.1.2. Procédé solaire concentré

II.2. Principe du stockage de chaleur

II.2.1. Stockage par chaleur sensible

II.2.2. Stockage par chaleur latente

II.2.3. Stockage thermochimique

24

25

Pour mieux comprendre le contexte dans lequel le stockage de chaleur

(produite par transformation thermodynamique de l’énergie solaire) s’opère, nous

allons exposer, dans la section suivante, les différents procédés de production de

chaleur (solaire). Puis nous traiterons des techniques de stockage. Il faut rappeler

que l’utilisation directe de l’énergie solaire thermique, à partir de l’utilisation de

simples capteurs, n’est limitée par aucun verrou scientifique ou technologique.

II.1. Supports et procédés solaires [5][6][8][10][11]

Les procédés solaires sont de deux types : concentré et non-concentré. On

distingue ces systèmes par leur niveau de concentration, c'est-à-dire par le niveau de

température atteint et donc par leurs rendements.

II.1.1. Procédé solaire non-concentré

Capteur non-vitré

Ces capteurs sont les plus simples et les moins onéreux. Il s’agit d’un absorbeur de

forme simple en métal ou plastique à l’intérieur duquel circule le liquide à réchauffer.

La Figure 2-1 présente schématiquement un système de chauffe-eau solaire

fonctionnant en mode thermosiphon (Lahmidi, 2005). Sur cette figure, le capteur peut

être un capteur non-vitré d’un autre type que celui décrit ci-dessous.

Figure 2-1. Présentation schématique d’un système de chauffe-eau solaire fonctionnant en

mode thermosiphon (Lahmidi, 2005)

Le capteur non-vitré est souvent utilisé pour des applications très simples comme le

chauffage des piscines (capteurs plastiques) ou la production d’eau chaude sanitaire

dans les régions à très fort ensoleillement.

Capteur plan vitré

Ce capteur est constitué d’une boîte thermiquement isolée de son environnement,

montrée en Figure 2-2, contenant les organes suivants :

Absorbeur : C’est un échangeur de chaleur métallique de bonne conductivité

thermique (cuivre ou aluminium), très absorbant au rayonnement solaire et

26

peu émettrice de rayonnements infrarouges (peint en noir). Cet échangeur est

constitué de deux plaques planes à l’intérieur desquelles les canaux ou le

tubes sont soudés pour faire passer le fluide caloporteur. Par ailleurs, il existe

aussi des capteurs en plastique (moins conducteur de chaleur).

Figure 2-2. Schéma d’une coupe longitudinale d’un capteur plan vitré (Pincemin,

2007).

Couverture en vitre : Cette couverture permettant une couche d’air entre

l’absorbeur et la vitre vise à réduire les pertes de chaleur par convection. Les

lois classiques de l’optique géométrique sont applicables à ce capteur. Ainsi,

une petite partie (1) du rayon incident intercepté à la surface en verre est

réfléchit vers l’extérieur, et une petite partie (1) est absorbée par le verre.

Cependant, la majorité (1) du rayon est transmise à l’absorbeur et cause une

augmentation de sa température. Cela conduit à une élévation de la

température du fluide caloporteur lors de son passage dans les canaux du

capteur. L’énergie emmagasinée par le fluide caloporteur peut être utilisée

directement pour le chauffage (passe dans les radiateurs) ou transférée à une

unité de stockage (par exemple un ballon d’eau chaude sanitaire). L’ajout d’une vitre créé un effet de serre dans la couche d’aire emprisonnée

entre la vitre et l’absorbeur : le rayon infrarouge émis par l’absorbeur est piégé

par le verre qui est opaque à ce rayonnement (mais pas au rayonnement dans

le domaine visible). Ce rayon infrarouge subit des réflexions multiples (2)

jusqu’à son atténuation. La partie qui reste est absorbée par le verre (2) qui

se chauffe et rayonne à son tour (). Une partie du rayonnement (2) est

finalement transmise à l’extérieur.

Le rendement d’un capteur solaire dépend en premier lieu à l’intensité du

rayonnement reçu mais aussi à la différence de température de l’absorbeur et

de l’air ambiant. Ce rendement est exprimé par l’expression suivante :

R(x) = c0 – c1.x – c2. . x2 (1)

27

ou x est égal au rapport de T sur T étant la différence entre la

température moyenne du fluide caloporteur et la température de l’air ambiant

en °C (T= Tmoy- Tamb), et l’ensoleillement en W.m-2

, donc x = [Tmoy- Tamb]/

Un capteur est caractérisé par ses coefficients c0, c1 et c2. La valeur du

coefficient c0 est souvent très petite voire nulle, ce qui rend R fonction linéaire

de x. Comme pour le capteur solaire fabriqué par l’entreprise française

CLIPSOL pour lequel : c0 = ,7 ; c1 = 4,91 W.m-2.K-1 et c2 = 0 W.m-2.K-1

(Lahmidi, 2005). La Figure 2-3 montre la variation de rendement de ce capteur

en fonction de x (x =T).

Figure 2-3. Variation de rendement de capteur CLIPSOL en fonction de la différence entre la

température de l’absorbeur et la température de l’air ambiante (x), (Lahmidi, 2005).

Sur cette figure on constate que le rendement chute rapidement avec x. Pour une

température ambiante de 25°C, une température moyenne d’absorbeur de 75°C, et

une densité d’ensoleillement de 700 W.m-2 (à Douai par exemple !), x vaut 0,071

W.m2.K1 et le rendement est de 34%. Pour la température d’absorbeur de 80C° le

rendement deviendra de 31%. C’est pourquoi les capteurs plans ne peuvent

atteindre que des températures de fluide caloporteur de 80°C.

Capteur sous vide

Le capteur sous vide est une variante optimisée du capteur plan vitré dans lequel la

couche d’air est éliminée en réalisant un vide entre l’absorbeur et la vitre. Ainsi les

pertes par convection thermique sont éliminées, car le phénomène de convection ne

peut pas être réalisé dans le vide (il a besoin de mouvement d’aire pour transférer la

28

chaleur par convection). De plus, dans ce type de capteur une couche sélective est

déposée sur la vitre ce qui limite les pertes par rayonnement infrarouge.

Choix de capteur

Le choix d’un capteur répond à un compromis entre le rendement et la température

de l’absorbeur. La Figure 2-4 compare les rendements de quatre types de capteurs :

sans vitre, plan vitré, sous vide simple et sous vide avec couche sélective. Pour une

densité d’ensoleillement de 700 W.m-2, température ambiante de 25°C et une

température moyenne d’absorbeur de 30°C le rendement reste similaire selon les

différents types de capteurs, c’est-à- dire égale à 80%.

Figure2- 4. Comparaison des rendements de 4 types de capteurs solaires (Pincemin, 2007)

Par contre pour une température de l’absorbeur de 80°C, x= 0,078, le capteur plan

donne un rendement de 38%, alors qu’un capteur sous vide avec couche sélective

donne un rendement de 62% ! Cependant, les différences de coût font que le choix

d’un capteur plan vitré s’impose le plus souvent.

Usage de procédé solaire non-concentré

Comme nous avons constaté, la température de l’absorbeur est un critère clé pour la

technologie solaire non-concentrée; l’augmentation de la température induit une

baisse proportionnelle du rendement du capteur. Donc cette technologie trouve ses

applications dans les usages à basse température comme par exemple la production

de l’eau chaude sanitaire ou le chauffage des locaux. Dans la production de l’eau

chaude sanitaire, la présence de cumulus comme un moyen de stockage pour

assurer un fonctionnement continu est nécessaire. Une autre possibilité peut être la

29

mise en place d’un système moins encombrant basé sur la chaleur latente d’un

matériau adapté (voir la sous section de stockage). Cette solution non seulement

stabilisera la température avec une faible variation (ce qui maintiendra le rendement

dans la gamme ciblée) mais aussi elle permettra un fonctionnement autonome sans

apport d’énergie complémentaire, comme l’énergie fossile ou l’électricité.

En résumé, il suffit dans cette application de réchauffer l’eau d’un ballon d’eau

chaude centralisée par un fluide caloporteur chauffé dans le capteur solaire.

L’appoint requis pour satisfaire les normes sanitaires de maintient de la température

journalière peut être apporté par un chauffage électrique de nuit. L’expérience

montre que 60% de la consommation annuelle d’eau chaude d’une famille en France

pourrait, en principe, être assurée par une dizaine de mètre carré de capteur placé

au toit. Au niveau national, la consommation de l’eau chaude sanitaire représente

environ 10% de la consommation d’énergie finale dans le secteur résidentiel et

tertiaire, soit 5% de la consommation d’énergie finale nationale (10% x 50%). Ce qui

constitue un enjeu important.

II.1.2. Procédé solaire concentré

L’énergie solaire possède des caractéristiques spécifiques : elle est intermittente

(jour/nuit), aléatoire (orages ou passage des nuages), et elle présente aussi un

caractère dilué et décalé par rapport à la demande. Les techniques de

concentration peuvent résoudre le problème de la dilution tandis que les niveaux de

concentration permettent de répondre au problème de demande.

Les procédés solaires concentrés sont utilisés pour la production de l’électricité mais

aussi pour les applications industrielles qui requièrent des températures très élevées

(2000 à 3000°C) comme lors de la fabrication des alliages purs. Les procédés

solaires concentrées se distinguent par leurs températures de fonctionnement et

donc par leurs rendements.

Un système de concentration présente plusieurs avantages:

-il augmente les températures de travail en concentrant l’énergie solaire sur des

cibles de tailles réduites

-il diminue les pertes et donc augmente le rendement

Dans les procédés concentrés, le capteur ne reçoit pas directement l’énergie solaire;

c’est un procédé indirect, par opposition avec le procédé non-concentré qui est

direct. L’énergie solaire est collectée par une surface de taille très importante tandis

que la taille de l’absorbeur est réduite et par conséquent ses pertes aussi.

La concentration C est définie par l’expression (2) :

C = Scollectrice/Sabsorbeur (2)

30

Pour chaque niveau de concentration il existe une technologie appropriée : les

collecteurs cylindro-paraboliques, les paraboles Stirling et les centrales à tour.

Capteur cylindro-parabolique

Ces capteurs à concentration utilisent des réflecteurs à composantes paraboliques

pour orienter et concentrer l’énergie solaire vers un absorbeur de type tube

cylindrique. Ce tube est situé au foyer de concentration du capteur tel qu’on le

montre sur la Figure 2-5.

Figure 2-5. Principe de fonctionnement du capteur cylindro-parabolique.

Ces capteurs sont utilisés pour la production d’électricité par la génération de vapeur

avec une température inférieure à 400°C. Le facteur de concentration n’est donc pas

très élevé (8<C<80). L’axe cylindrique de la surface réceptrice du capteur est orienté

selon un axe Nord-Sud et la rotation du capteur au tour de son axe se fait selon un

axe Est-Ouest. La concentration des rayons sur l’absorbeur situés sur l’axe focal du

capteur permet l’augmentation de la température du fluide de travail.

Contraintes de l’énergie solaire

Nous rappelons que la nature de l’énergie solaire impose certaines limitations aux

procédés solaires, concentrées ou non : l’énergie solaire est intermittente, aléatoire,

diluée et décalée par rapport à la demande. Si la concentration peut résoudre les

problèmes de dilution et de puissance, l’intermittence et le décalage offre/demande

demeurent des contraintes importantes. L’alternance jour/nuit implique la mise en

place de systèmes relais (back-up en anglais) qui compense la faiblesse ou

l’absence de flux de rayonnement solaire pendant les périodes « creuses » en

rayonnement. Cependant, ces systèmes relais fonctionnent souvent avec des

énergies carbonées. Donc, pour atteindre l’objectif de production à 100% énergie

issue du solaire, nous sommes contraint à avoir recours au stockage de chaleur.

31

La récupération de l’énergie solaire disponible en excès pendant la journée permet

la restitution de l’énergie pendant une période de faible ensoleillement.

II.2. Principe du stockage de chaleur [4][5][12]

Par définition « stocker de l’énergie consiste à l’emmagasiner pendant une période

où elle est abondante ou moins coûteuse (solaire, tarifs de nuit…) pour l’utiliser

pendant une période durant laquelle elle est rare ou plus chère» (Dumas, 2002).

Le stockage de l’énergie solaire peut se faire sous forme : électrique (piles

photovoltaïques), thermochimique (procédé de sorption) et thermique (chaleur

sensible, chaleur latente).

Les modes de stockage électrique et thermochimique ne font pas parti de notre

étude ; ils ne seront pas décrits dans ce rapport. Cependant, le stockage

thermochimique est très brièvement expliqué à la fin de notre étude pour établir la

relation avec les deux autres modes de stockages, c'est-à-dire stockage par chaleur

sensible et par chaleur latente.

II.2.1. Stockage par chaleur sensible

Tout matériau a une capacité calorifique et peut donc stocker de la chaleur en quantités plus ou moins importante. Un matériau de capacité calorifique C dont la

température varie (augmente) de T a une quantité de chaleur (enthalpie) qui varie

(augmente) de H = C.T. La capacité calorifique d’un matériau est par définition le produit de sa masse m [kg] et de sa chaleur spécifique c [J/(kg.°C)]. La capacité calorifique est donc l’augmentation de l’énergie du matériau nécessaire pour augmenter d’un °C sa température. Si on considère que le matériau est homogène

à la masse volumique de [kg/m3] et au volume V [m3], nous avons :

H = .c.V.T [J] (3)

Pour un volume donné, un matériau stockera d’autant plus de chaleur que le produit

c sera élevé. La quantité C est mesurée en MJ/(m3.°C) ou kWh/(m3.K). Par exemple cette quantité vaut 1.02 MJ/(m3.°C) pour le bois, 1,64 pour le verre, 2,43 pour l’aluminium, 4,19 pour l’eau et 7,75 pour le béton. Le tableau 2-3 donne la valeur de C (en kWh/(m3.K)) ainsi que la masse volumique et la gamme de température de fonctionnement de quelques matériaux utilisés pour le stockage par chaleur sensible.

32

Tableau 2-1 Propriétés thermophysiques de quelques matériaux de stockage par chaleur sensible (Lahmidi, 2005).

Ainsi, à pression constante, si l’on réchauffe un corps (de stockage) de masse m, de chaleur spécifique c et de température initiale T0, à la température finale T1, on peut

stocker une énergie donnée par sa variation d’enthalpie H :

H = m.c. (T1 - T0) (4)

Si, ultérieurement ce corps chargé est mis en contact avec un système utilisateur à une température T’’0 inférieure à T1 ce dernier pourra récupérer une quantité d’énergie égale à :

H’= m.c.( T1 - T’’0 ) - Hpertes (5)

Où Hpertes est la perte de chaleur au cours de l’échange, qu’on essaie de minimiser.

Les matériaux utilisés pour le stockage par chaleur sensible peuvent être :

Gazeux : vapeur d’eau surchauffée

Liquide : eau, huile de synthèse ou naturelle, sels fondus etc.

Solide : béton, roche, métal etc.

Température de stockage

Le stockage par chaleur sensible peut être réalisé à basse température ou à haute

température en fonction de la température du fluide caloporteur requise.

-Basse température

33

L’eau liquide, la roche et le béton sont les matériaux les plus souvent utilisés pour les

stockages à température inférieure à 100°C. L’eau a cependant l’inconvénient d’être

corrosive. Son utilisation est avantageuse si le fluide de travail est aussi l’eau,

comme c’est le cas dans le cumulus utilisé dans les chauffe-eau solaires.

-Haute température

Par haute température dans le domaine solaire, on entend des températures

supérieures à 500°C. C’est la gamme de températures qu’on rencontre dans la

production d’électricité avec capteurs à concentration. Les matériaux idéaux pour

cette gamme de température sont : les sels fondus ( Draw salt, , HTTEC, Solar salt,

etc.), l’eau pressurisée, les huiles organiques hautes températures, le béton de haute

température, les céramiques réfractaires, etc. La composition et les propriétés

thermophysiques de certains matériaux mentionnés ci-dessus sont données dans le

Tableau 2-2.

Tableau 2-2. Propriétés thermophysiques de quelques matériaux pour le stockage par

chaleur sensible, (Pincemin, 2007).

Milieu du stockage, solide ou liquide

Ce choix n’est pas toujours facile et demande une étude et parfois expérimentation

avant de l’appliquer à un cas réel.

-Solide

Dans le passé, un béton résistant à haute température et une céramique réfractaire

étaient utilisés dans un programme allemand (WESPE, 2001-2003) réalisé sur le site

solaire espagnol à Almería. La centrale solaire était par concentration du type

cylindro-parabolique (température 300-400°C). L’expérience a montré que la

céramique réfractaire a une puissance de stockage/déstockage supérieure par

rapport au béton. De plus le béton se dégrade après plusieurs cycles de

stockage/déstockage à cause de perte d’eau initialement contenue dans le béton.

34

- Liquide

L’eau est un très bon liquide pour le stockage car elle a une grande chaleur

spécifique (voir le Tableau 2-2). Cependant, les sels fondus (HITEC, Draw salt) ou

les huiles sont privilégiés car ils peuvent supporter des températures assez élevées

par rapport à l’eau : 500°C pour HITEC, et 579°C pour Draw salt.

II.2.2. Stockage par chaleur latente

Le stockage par chaleur latente présente deux avantages par rapport à la chaleur

sensible (Dumas et PY, 2009):

le stockage par chaleur latente consiste à exploiter la quantité d’énergie

engagée lors du changement d’état d’un corps. Ce changement d’état s’opère

à température constante, donc il permet de régler la température du milieu de

changement de phase (exemple habitat).

une autre différence entre le mode de stockage par chaleur sensible et

latente est due aux très fortes capacités de stockage du latente par rapport à

sensible.

L’utilisation du changement de phase d’un corps est donc un bon moyen de stocker

et de restituer de la chaleur ou du froid. Ce type de transformation est par exemple

utilisé pour refroidir un verre d’eau avec un glaçon. On peut éclairer l’intérêt du

changement de phase par stockage à travers quelques ordres de grandeurs. Pour

l’eau, la chaleur spécifique est 4,18 kJ/(kg.°C), la chaleur latente de fusion de la

glace de 330 kJ/kg et celle d’évaporation de 2500kJ/kg. Avec ces chiffres on

constate qu’avec l’énergie nécessaire pour bouillir 1 litre d’eau on peut faire fondre

7,6 kg de glace (2500/330) et porter 6 litres d’eau de 0°C à 100°C (6 x 4,18 x 100).

A partir de l’exemple ci-dessus nous constatons également que la chaleur latente

d’évaporation d’eau est supérieure à celle de sa solidification. Ceci est vrai pour un

grand nombre de corps purs : le changement liquide/gaz présente une forte enthalpie

de transformation. Cependant, cette solution est souvent écartée pour le stockage de

chaleur à cause des grandes variations de volumes induites. Donc, nous allons nous

limiter dans ce rapport au changement d’état solide/liquide, c'est-à-dire à la fusion et

à la solidification.

Pour analyser le processus de fusion d’un corps, prenons le cas d’un solide à

température T1 (T1 est inférieure à la température de fusion Tf) : pour qu’il atteigne

sa température de fusion, il faut apporter de l’énergie. L’énergie est donc stockée par

ce matériau sous forme de chaleur sensible et lorsque la Tf est atteinte, le matériau

change de l’état solide à l’état liquide. Ce changement d’état se fait à température

constante et l’énergie apportée par l’extérieur sert alors à rompre les liaisons

existantes dans le solide. Une fois que la matière est entièrement transformée de

l’état solide à l’état liquide et si le système continue à recevoir de l’énergie, alors

35

celle-ci sera de nouveau cumulée par le matériau sous forme de chaleur sensible. Le

bilan des transformations entre T1 (température initiale du solide) et T2 (température

finale du liquide), en faisant l’hypothèse que les chaleurs spécifiques du matériau en

phase solide et liquide (cS et cl) sont indépendantes des températures, est donc écrit

par :

H = H2 – H1 = m.cS (Tf –T1) + m. Lf (Tf) + m.cl (T2 – Tf) (6)

Lf(Tf) = hL(Tf) – hS(Tf) > 0 (7)

où hL(Tf) et hS(Tf) sont les enthalpies massiques du liquide et du solide à la

température de fusion Tf, Lf(Tf) est la chaleur latente de fusion. Le changement d’état

permet donc de faire un stockage de chaleur à température constante ou quasi

constante, la température se stabilisant à une température proche de la température

du matériau à changement de phase (PCM) sélectionné. La Figure 2-6 représente

cette transformation.

Figure 2-6. Changement d’état présenté dans un diagramme température-enthalpie.

36

37

Chapitre III

Différents procédés de

stockage de chaleur et

traitement du froid

III.1. Les bacs à glaces

III.1.1. Définition et principe de fonctionnement

III.1.2. Description des matériaux utilisés

III.1.3. Conclusion

III.2. Nodules encapsulées

III.2.1. Matériaux à changement de phase

III.2.2. Description du matériel

III.2.3. Principe de fonctionnement

III.2.4.Conclusion

III.3.Accumulateurs de vapeur

III.3.1 Description du matériel et principe de

fonctionnement

III.3.2 Conclusion

38

39

Il existe aujourd’hui plusieurs procédés de stockage de chaleur. En effet, le

stockage de chaleur, par chaleur sensible ou par chaleur latente, a connu un

développement considérable passant des bacs à glaces dont la technique s’inspire

d’une expérience qui date du 19eme siècle et des accumulateurs de vapeur, aux

matériaux à changement de phases utilisés dans divers systèmes tels que les

nodules encapsulés.

III.1.Les bacs à glaces [2][3]

III.1.1. Définition et principe de fonctionnement

Il s’agit d’une cuve contenant de l’eau en contact direct avec une batterie où circule

un liquide froid qui peut être de l’eau glycolée (l'eau glycolée est une eau normale de

réseau à laquelle on a ajouté un pourcentage de glycol, par exemple 20% afin que

cette eau ne puisse geler, même si elle est stagnante, lorsqu'elle circule dans un

réseau de chauffage passant par l'extérieur) ou le fluide frigorigène lui-même . Ainsi,

de la glace va se former autour du circuit décrit ci-dessus formant un bac à glace

partiel ou total. Il y’a alors deux types de déstockage :

Déstockage par fusion interne :

Le principe est simple : il suffit de faire circuler un liquide chaud dans le tube. Le

schéma (Figure 3-1) présente ce principe :

Figure 3-1 : Fusion interne,schéma de principe [2]

Il y a formation d’un cylindre d’eau autour du tube.

Sans prendre en compte le changement de température le long du tube, le flux

consommé par unité de longueur pour faire fondre la glace s’écrit :

40

avec :

On remarque, d’après la relation précédente, qu’il est primordial de chauffer l’eau

glycolée à des températures assez élevées (avoisinant les 15°C) pour garantir une

puissance de déstockage assidue. Cela est très loin de la réalité où il est nécessaire

d’avoir un fluide caloporteur proche de 0°C.

Cette méthode se perçoit donc comme une approche théorique du déstockage de la

chaleur.

Déstockage par fusion externe

Dans ce cas, l’eau n’est cristallisée qu’en partie ; en effet, il y a formation d’une

couche de glace autour du tube (de l’ordre de 35mm).Pour pouvoir contrôler ce

processus, il faut agiter l’eau qui reste grâce à un système mécanique ou encore par

injection d’air par une pompe. Cette eau est simultanément utilisée soit directement

ou en utilisant un échangeur thermique. Elle revient ensuite sur le mélange glace-

eau ce qui permet d’entretenir une température fixe (proche de 0°) le schéma ci-

dessous (Figure 3-2) présente ce procédé :

Figure 3-2 : Fusion externe [2]

41

Le flux est régi par une équation semblable à celle de la fusion interne à une

constante près :

Puisque cette dernière est 4 fois plus importante que celle de l’eau, la différence de

température est réduite ce qui rend cette solution plus répandue.

Il existe d’autres moyens en cours de développement tel que le procédé de Quiri de

Axima qui se résume à faire couler l’eau sur des plaques refroidies de l’intérieur et,

après congélation de cette eau ,à injecter des gaz chauds pour faire tomber la glace

constituée dans une cuve remplie d’eau. Cette eau, maintenue à 0°C, est aussitôt

pompée et introduite au circuit.

III.1.2. Description des matériaux utilisés

Circuit

Figures 3-3 : Bacs à glace [2]

Le circuit utilisé est simple : une batterie pour accumuler l’énergie électrique

nécessaire, une pompe à air, un contrôleur d’épaisseur de glace, un distributeur d’air

et un réservoir. On peut observer le dispositif sur les images précédentes.

Injection d’air

Pour homogénéiser la cristallisation de l’eau dans la cuve, il est nécessaire de

l’agiter. Pour atteindre ce but, et faute d’espace pour installer un système d’agitation

mécanique, il suffit d’injecter des bulles d’air en utilisant une pompe d’air .Ce

dispositif est primordial au début de la cristallisation et au déstockage. De plus, ce

42

dispositif permet d’économiser quatre fois plus d’énergie par rapport à l’agitation

mécanique.

Epaisseur de la glace formée

Pour avoir une idée sur l’énergie stockée, il est essentiel de déterminer la quantité

de glace formée. Pour satisfaire cet objectif, on utilise aujourd’hui des systèmes

électriques qui mesurent continuellement l’épaisseur de la glace : ce sont en fait

deux sondes placées sur des niveaux différents qui se basent sur la mesure de la

conductivité électrique de l’eau et de la glace.

III.1.3.Conclusion

Les bacs à glace ou système à accumulation de glace sont actuellement très

courants à cause de leur simplicité et de la très longue expérience des producteurs

et sont utilisés comme « batteries » frigorifiques dans plusieurs industries pour

réduire les dépenses énergétiques.

III.2.Nodules encapsulées [2][4][5]

Le principe de ce stockage est d’utiliser un Matériau à Changement de Phase

(PCM) confiné dans des récipients assez étanches de dimension variant entre

quelques cm3 à quelques litres. Pour cristalliser leur contenu il suffit de les refroidir et

de les mettre en contact avec la source chaude pour le déstockage.

III.2.1. Matériaux à changement de phase (PCM)

Ce sont les matériaux capables de changer d’état physique dans une plage de

température restreinte. Dans cet intervalle de température, le changement de phase

le plus courant est la fusion/solidification. Pour les nodules, on utilise de l’eau ou

encore une solution eutectique (mélange de deux corps purs qui fondent et se

solidifient à température constante).

Les PCM peuvent être classés en trois catégories: les métaux, les matériaux

organiques et les matériaux inorganiques.

On peut classer également les PCM en fonction de la gamme de température de

travail tel qu’il est montré dans le Tableau 3- 1. Ce critère est fondamental pour toute

application et permet de limiter l’étude de choix préliminaire de PCM pour une

application visée.

Tableau 3-1. Classification des PCM en fonction de la gamme de la température de travail,

(Pincemin, 2007).

43

-Les PCM métalliques

Les principaux avantages des PCM métalliques sont avant tous leurs très bonnes

conductivités thermiques. Pour certains métaux cet avantage est combiné avec une

forte capacité de stockage; c’est le cas de l’aluminium, du zinc, du cuivre, du nickel et

du fer. Cependant, à cause des coûts très élevés, l’utilisation des métaux dans le

milieu du stockage est peu répandue. Les applications ciblées sont les centrales à

tour. Le Tableau 3-2 donne les propriétés de quelques métaux pour application au

stockage.

Tableau 3-2. Propriétés thermophysiques des métaux pour stockage de chaleur (Handbook

of chemistry & physics-CRC)

-Les PCM organiques

Les paraffines et les acides gras constituent la majorité des PCM organiques.

L’avantage majeur de ces PCM est leur chaleur latente relativement élevée, entre 50

à 300 J/g. Cependant, plusieurs inconvénients majeurs ont freiné leurs applications.

Parmi ces inconvénients on peut rappeler :

-l’inflammabilité,

44

- faible conductivité thermique,

- température de travail inférieure à 150°C.

L’application principale est le stockage de la chaleur et du froid dans les bâtiments.

Le tableau 2-3 montre les propriétés thermophysiques de quelques PCM organiques.

Tableau 2-3. Propriétés thermophysiques des matériaux organiques pour stockage de

chaleur et de froid par chaleur latente (Pincemin, 2007)

-Les sels inorganiques

La densité énergétique des sels inorganiques est très élevée. De faible coût, leur

application s’est généralisée depuis le début de XXème siècle, mais beaucoup

d’entre eux sont corrosifs. Les propriétés de deux sels hydratés très utilisés dans les

applications réelles et les études sur les matériaux à changement de phase sont

données dans le tableau 2-4.

Tableau 2-4. Propriétés thermophysiques des matériaux inorganiques hydratés pour le

stockage par chaleur latente, (Pincemin, 2007)

45

III.2.2. Description du matériel

Les cuves

Elles sont de dimension variant de 2 à 100 m3 selon la demande du producteur. Il

existe deux sortes de cuves : horizontales et verticales. Le liquide entre et sort par

des grilles où sont placés les nodules. De plus, elles sont calorifugées. La figure

suivante représente une cuve verticale.

Figure 3-4 : Schéma d’une cuve verticale avec son système interne de mesure de

températures [2]

Les nodules

Les nodules ont un diamètre de 77 mm ou de 98 mm. Leur enveloppe est constituée

à 95% de polyoléfine d’épaisseur pouvant aller jusqu’à 1mm afin de permettre une

meilleure résistance aux différents impacts à l’intérieur de la cuve.

III.2.3.Principe de fonctionnement

Les nodules sphériques remplissent la cuve qui est traversée par le fluide

frigoporteur. Lorsqu’on fait traverser la cuve par un liquide suffisamment froid

(Drainage), le PCM dans les nodules cristallise stockant l’énergie par chaleur latente

et lorsque la cuve est, plus tard, parcourue par un liquide chaud (température

supérieure à la température de fusion), l’énergie est déstockée.

Drainage

Le fluide frigoporteur qui traverse la cuve est en général de l’eau glycolée. Le liquide

circule à une vitesse assez réduite (de l’ordre de quelques millimètres par seconde)

ce qui entraine des pertes de charges minimes à l’intérieur de la cuve. Il y a deux

modes de drainages pour les cuves verticales :

46

Le mode normal : l’entrée du liquide frigoporteur se fait par le bas au

cours du stockage et par le haut pour le déstockage

Le mode inverse

Il a été prouvé expérimentalement que le mode normal est beaucoup plus pratique

(écoulement «piston » dans le sens du gradient de température).

Quand on utilise des cuves horizontales, l’arrivée ou le départ du liquide se font par

des tubes horizontaux percés raccordés en position haute et basse.

Charge

Le problème principal qui se pose à ce procédé est que la surfusion est importante,

même avec des volumes relativement grands, incompatible avec un fonctionnement

rentable des machines frigorifiques. On remarque en fin de stockage que la

température de sortie est pratiquement égale à la température d’entrée du fait d’une

bonne isolation des cuves. Il y a phénomène d’autorégulation due aux lois de

cristallisation des liquides surfondus.

Il existe un modèle qui permet de donner la température de sortie en fonction de

celle d’entrée pour le cas d’une cuve verticale en mode direct :

Ainsi on peut tenir compte du caractère aléatoire de la surfusion.

Décharge

La décharge ou le déstockage consiste à récupérer l’énergie stockée en faisant

parcourir un liquide chaud dans la cuve. Il est claire que cette étape ne s’effectue pas

à la même vitesse que le stockage car la fusion se fait à l’équilibre thermodynamique

et ne débute que pour des nodules d’une même tranche en même temps.

On parle de déstockage partiel lorsque le stock d’énergie n’est pas entamé lors de

l’utilisation précédent la période de stockage.

III.2.4. Conclusion

Contrairement aux bacs à glace vus précédemment, les nodules encapsulés

présentent diverses propriétés au niveau de la température de déstockage qui peut

être différent de 0°C en utilisant des produits tels que les eutectiques. De plus, la

conduction thermique à l’intérieur du nodule est assurée grâce au niveau de glace

formée qui permet un échange maximal. Par contre, il est difficile d’évaluer le niveau

47

d’énergie disponible et plusieurs phénomènes viennent perturber le rendement du

procédé telle que la surfusion.

III.3.Accumulateurs de vapeur [5][12]

Les accumulateurs de vapeur couvrent une large gamme d’application depuis

plusieurs décennies et plus particulièrement dans le domaine de l’industrie. Ce

système est utilisé sur plusieurs centrales européennes comme à Séville en Espagne

(centrale du type PS10).

Consacrés à la gestion du régime transitoire de l’ensoleillement, les accumulateurs à

vapeur possèdent un temps de réaction très court et un fort taux de décharge qui

permettent d’assurer de bonnes conditions de travail et de protéger les différentes

pièces mécaniques et ainsi d’améliorer le rendement.

III.3.1. Description du matériel et principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement d’un accumulateur à vapeur repose sur les propriétés

de la vapeur surchauffée et de l’eau saturée. Il est formé d’un réservoir, de collecteur

cylindro-paraboliques, de vannes pour contrôler les différents paramètres

thermodynamiques (pression, température,…). Pendant la charge, de la vapeur

surchauffée précédemment est introduite dans le réservoir contenant de l’eau liquide.

Il y a alors phénomène de condensation ce qui pousse à un nouvel état d’équilibre

caractérisé par une baisse de température et une augmentation de la pression.

Pendant le déstockage, l’ouverture de la vanne incite à l’augmentation de la

température et la diminution de la pression, la valeur ainsi formée est alors libérée et

restituée au système.

III.3.2. Conclusion

L’accumulateur présente donc plusieurs avantages tels que la maitrise du principe et

le bas coût des installations, mais il n’offre que de faibles capacités volumiques de

stockage. Pour optimiser ce système, on utilise aujourd’hui des matériaux à

changement de phase (PCM). Cela permet en effet d’améliorer la durée de stockage

sans perdre en rapidité de temps de réaction.

48

49

Conclusion Le stockage de chaleur est devenu aujourd’hui une nécessité qui s’impose au

sein de l’industrie de l’énergie.

En effet, la demande croissante de cette ressource, qui est devenue vitale vue

l’importance qu’elle tient dans notre quotidien, impose cette technologie comme

vecteur porteur de toute initiative entrepris dans ce cadre. Ainsi, pour faire face à la

crise pétrolière qui ne va tarder à surgir dans les années à venir, il faut prendre en

compte plusieurs facteurs surtout en ce qui concerne la conservation du patrimoine

naturel : les énergies renouvelables, et plus particulièrement le domaine du solaire

thermique, semblent être pour l’instant les solutions les plus envisageables.

L’énergie solaire reste la forme la plus exploitée dans le domaine du stockage. Il peut

s’effectuer sous diverses formes, surtout sous forme de chaleur sensible (eau, huile,

béton, céramique, etc.) ou sous forme de chaleur latente (eau, paraffines, sels, etc.).

Le stockage d’énergie sous forme de chaleur est beaucoup moins coûteux que sous

forme électrique. Donc, vue l’importance d’énergie solaire, la place qu’elle peut

occuper dans l’énergétique future, son stockage thermique économe et efficace, il

est amplement justifié de concentrer les efforts de recherche pour améliorer le

rendement du stockage des systèmes actuels et de chercher de nouvelles

technologies de stockage.

Plusieurs autres nouvelles ressources sont étudiées et analysées pour pouvoir les

utiliser dans les plus brefs délais tels que les énergies des mers, l’amélioration de

l’énergie éolienne et nucléaire et le développement de nouvelles technologies de

stockage et de transport pour faire face au déficit des ressources d’origine fossile.

Le principe du stockage de la chaleur repose sur trois voies : la chaleur latente, la

chaleur sensible et la réaction chimique. Le choix étant en fonction des besoins

économiques et techniques ainsi que de la durée du stockage désirée. Dans le

stockage par chaleur latente, l'énergie est stockée sous la forme d'un changement

d'état du matériau de stockage (fusion ou vaporisation). L'énergie stockée dépend

alors de la chaleur latente et de la quantité du matériau de stockage qui change

d'état.

Le stockage thermochimique est une autre manière de stocker de la chaleur et de la

transporter sur de longues distances, basé sur des réactions chimiques. Dans cette

technique de stockage nous utilisons la chaleur pour réaliser une réaction

endothermique avec des composés chimiques. Le produit obtenu est ensuite stocké

ou transporté avant de réaliser la réaction inverse qui sera exothermique. Le

stockage thermochimique reste encore au stade de développement mais déjà il se

présente comme l’un des nouveaux relais du domaine énergétique.

50

51

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] C. Ngô, « l’énergie : ressources, technologies et environnement », 2ème édition,

DUNOD, 2004.

[2] Dumas, J.P., « Stockage du froid par chaleur latente », Techniques de

l’ingénieur-traité génie énergétique, PP BE 9 775 : 1-22, (2002).

[3] J. Delbes et A. Vadrot, « Réseaux de froid urbain », Techniques de l’ingénieur,

2000, pp BE 321 : 1-16.

[4] Dumas, J.P. et X. Py, X., « Stockage d’énergie thermique par matériaux à

changement de phases (MCP) », Actes de l’Ecole Thématique – le changement de

phase solide-liquide-vapeur – fondement et applications, Ile des Embiez, 25-31

octobre (2009)

[5] Pincemin,S., « Elaboration et caractérisations de matériaux composites à hautes

performances énergétiques pour l’intégration d’un stockage thermique dans les

centrales électro-solaires », Thèse de Doctorat de l’Université de Perpignan, (2007).

[6] H. Lahmidi, « stockage d’énergie solaire par procédé à sorption solide-gaz :

application au chauffage et à la climatisation », Thèse de Doctorat de l’Université de

Perpignan, 2005.

[7] Ngô, C., « Analyse et prospectives énergétiques mondiales », Technique de

l’Ingénieur, BE 8 515 : 1-14, (2008).

[8] Handbook of chemistry and physics – 6th edition- CRC (1985-86)

[9] Quelques enjeux et défis de recherche en énergie, Actes du Colloque du

Programme Interdisciplinaire Energie du CNRS, Nantes, 16-18 novembre (2009).

Site internet de THEMIS :

[10]http://www.google.fr/search?hl=fr&safe=off&num=100&q=Projet+THEMIS&meta=

&aq=f&oq=

Site internet de Pégase :

[11]http://www.google.fr/search?sourceid=navclient&gfns=1&ie=UTF-

8&rlz=1T4SKPB_frFR307FR307&q=centrale+solaire+P%c3%a9gase

[12] Wikipedia.(page consultée le 30 octobre) .Stockage d’énergie [en ligne]

http://fr.wikipedia.org/wiki/Stockage_d’énergie

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GLOSSAIRE

___________________________________

Unités de mesure de l’énergie

1 tep contenu énergétique d’une tonne de pétrole

1 tep 42 x 109 joules

1 kWh 3,3 x 106 joules

Préfixes utilisés

kilo k 103

mega M 106

giga G 109

tera T 1012

exa E 1018

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