Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE SYNTHESE Le stockage de la chaleur sur réseau urbain Projet de Fin d Etudes réalisé au sein de l entreprise COFELY Par Juliette MONCHAUX Tuteur institutionnel : Armand Erb Tuteur en entreprise : Marc Grosshaeny Septembre 2012
Fiche d objectifs Le stockage de la chaleur sur réseau urbain Le sujet s articule autour de deux thématiques précises : Le stockage de type journalier applicable à des chaufferies biomasse (ou des PAC) afin d en optimiser le fonctionnement en évitant les cycles trop courts. Nous serons sur du stockage et déstockage dans la journée, voire sur quelques heures. L objectif est de permettre un fonctionnement continu des chaudières, l accumulation de chaleur lissant la charge. Cette logique sera étendue à toutes technologies de production de chaleur à partir d ENR qui peuvent être en fonctionnement intermittent comme le solaire afin de permettre de coupler des sources de production d énergie. De même, pour permettre de couvrir au mieux la consommation qui n est pas constante. L objectif est de déterminer les technologies disponibles, les outils de calcul, de dimensionnement et de faire une recherche sur toutes les installations existantes. Le stockage de type saisonnier. Cette thématique complète le stockage de type journalier précédent. Nous avons besoin dans ce cas de stocker pendant les saisons creuses (exemple en été) et de restituer la chaleur en hiver. Le stockage sera réalisé soit dans des réservoirs naturels en grande profondeur au moyen de PAC soit directement soit dans des réservoirs crées dont il faudra déterminer la taille et le mode de fonctionnement. Mon PFE s est déroulé en deux temps. Dans un premier temps, l objectif était de consigner les différents types d installations existantes et de comprendre leur fonctionnement. Puis, j ai mis en pratique mes recherches afin de répondre à une problématique concrète : le dimensionnement du stockage pour Center Parcs. Remerciements : Je remercie M. Patrick Laugier directeur commercial de la région Nord-est, pour m avoir permis d intégrer son équipe et de découvrir le travail de Cofely. Je remercie également mon tuteur de stage, M. Grosshaeny, pour ses conseils et le suivi de mon projet. Je remercie aussi l ensemble de l équipe pour m avoir fait partager leurs expériences. Je remercie M. Erb, mon tuteur au sein de l INSA, pour le suivi de mon PFE ainsi que M. Triboix pour tous ses conseils.
Résumé : Le stockage de chaleur sur réseau urbain Dans la société actuelle, le recours aux énergies renouvelable devient un enjeu majeur. Cependant, ces énergies sont parfois intermittentes, comme le solaire, ou à forte inertie, comme les chaudières biomasse. Elles ne sont pas toujours en adéquation avec les variations de consommations des utilisateurs. Ainsi, le stockage de chaleur permettrait d apporter une réponse à ces problématiques. Les stockages journaliers principalement utilisés sont les cuves à eau chaude qui se rechargent pendant la baisse des besoins et sont utilisées le jour lors des pics de consommations. Pour le stockage saisonnier, c est la géothermie qui est la plus utilisée en raison de sa capacité d accumulation élevée. Le stockage appliqué aux réseaux de chaleur permet d optimiser le fonctionnement des chaudières biomasse ou encore de développer des réseaux quasi exclusivement solaires. Summary : The heat storage on urban network In current society, the use of renewable energy is becoming a major issue. However, these energies are sometimes intermittent, such as solar or with high inertia, such as wood boiler. They are not always match with the variations of consumption. Thus, the heat storage would provide a response to these problems. The daily storage mainly used is hot water tank that recharges during the reduced requirement and is used during peak of consumption. For seasonal storage, geothermal energy is the most used because of its high storage capacity. This technology applied to heat network optimizes the operation of wood boilers or develop almost exclusively solar networks. Mots clés/ Key words Energy storage Heat network Coverage rate Boiler Water tank Geothermal energy Stockage d énergie Réseau de chaleur Taux de couverture Chaudière Cuve à eau Géothermie Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 1
Table des matières : RESUME : LE STOCKAGE DE CHALEUR SUR RESEAU URBAIN... 1 TABLE DES MATIERES :... 2 TABLE DES FIGURES ET TABLEAUX:... 3 INTRODUCTION ET CONTEXTE :... 5 1. LES DIFFERENTS STOCKAGES :... 6 1.1 STOCKAGE DE LA CHALEUR SENSIBLE :... 6 1.1.1 Stockage en cuve :...6 1.1.2 Stockage en puits géothermiques :...10 1.1.4 Coûts :...14 1.2 STOCKAGE DE LA CHALEUR LATENTE DE FUSION:... 16 1.2.1 Fonctionnement :...16 1.2.2 Etat de la recherche :...17 1.3 STOCKAGE DE LA CHALEUR LATENTE DE VAPORISATION:... 18 1.3.1 Avantages :...18 1.3.2 Inconvénients :...18 1.3.3 Etat de la recherche IEA:...18 1.4 STOCKAGE DE LA CHALEUR THERMOCHIMIQUE... 19 1.4.1 Avantages :...19 1.4.2 Inconvénients :...19 1.4.3 Etat de la recherche IEA :...19 1.5 CONCLUSIONS :... 20 2. LA STRATIFICATION... 21 2.1 STOCKAGE EN CUVE :... 21 2.1.1 Le ratio hauteur/diamètre...21 2.1.2 La vitesse du jet...21 2.2 STOCKAGE GEOTHERMIQUE :... 27 3. ETUDE DE CAS : CENTER PARCS... 28 3.1 OBJECTIFS :... 28 3.1.1 Situation...28 3.1.2 Intérêts du stockage...28 3.2 DIMENSIONNEMENT :... 29 3.2.1 Type de stockage...29 3.2.2 Dimensionnement...29 3.2.3 Consultation des entreprises :...35 3.3 RACCORDEMENT ET COMPOSITION DU BALLON... 36 3.3.2 Revêtement...37 3.3.3 Raccordement...37 3.3.4 Régulation...39 3.4 COUTS... 41 CONCLUSION :... 44 BIBLIOGRAPHIE :... 45 SOMMAIRE DES ANNEXES:... 46 PRESENTATION DE L ENTREPRISE D ACCUEIL : COFELY SERVICES... 47 Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 2
Table des figures et tableaux: Figure 01: Comparaison stockage enterré à eau et au gravier [1] [2]... 6 Figure 02: Exemple d une isolation intérieure [2]... 7 Figure 03: Exemple d une isolation extérieure [2]... 8 Figure 04: Composition des fosses [4]... 8 Figure 05: Composition du stockage gravier et sable... 10 Figure 06: Composition des sondes géothermiques... 11 Figure 07: Exemple de positionnement des sondes au Canada (DLSC)... 12 Figure 08: Schéma de principe d'un réseau de chaleur solaire avec stockage... 13 Figure 09: Système de charge et de décharge... 13 Figure 10: Schéma d'une installation avec aquifère [2]... 14 Figure 11: Exemple des coûts totaux pour différents types de projets sans TVA et coût... 15 Figure 12: Variation du coût en fonction de la taille du stockage [2]... 15 Figure 13: Capsule E-stocker... 17 Figure 14: Evolution du rendement de charge/décharge avec le rapport H/D... 21 Figure 15: Vue en coupe de la charge et décharge dans la canne de stratification... 22 Figure 16: Charge et décharge du ballon avec canne de stratification... 22 Figure 17: Système de stratification Solarbayer... 23 Figure 18: Brise-jet développé par M. Triboix... 23 Figure 19: Expérience réalisée par Ratiotherm sur la stratification... 24 Figure 20: Cas idéal sans turbulence... 25 Figure 21: Cas réel avec brise jet... 25 Figure 22: Cas réel sans brise jet... 25 Figure 23: Déflecteur horizontal utilisé au Canada [10]... 26 Figure 24: Ballons horizontaux HORCONEX... 26 Figure 25: Profil des consommations en hiver: Energie nécessaire>energie stockable... 30 Figure 26: Profil des consommations en été... 30 Figure 27: Profil des consommations tel que Energie stockée = Energie récupérable... 31 Figure 28: Méthodologie du dimensionnement du volume... 32 Figure 29: Profil des consommations réelles de la chaudière biomasse augmentées de 25%. 33 Figure 30: Résultat de la simulation Excel sur l'hydro-accumulation... 34 Figure 31: Logiciel de dimensionnement des chaufferies biomasse avec ajout de l'hydroaccumulation... 35 Figure 32: Ballon vertical avec expansion azote HORCONEX... 36 Figure 33: Schéma de raccordement en série avec la technologie Ratiotherm... 38 Figure 34: Schéma de raccordement en parallèle... 39 Figure 35: Schéma de logique de régulation... 40 Figure 36: Comparaison des solutions pour Center Parcs... 40 Figure 37: Coût annuel des différentes solutions... 43 Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 3
Tableau 1: Différents types de couverture... 9 Tableau 2: Comparaison de l'eau et du gravier... 9 Tableau 3: Comparaison stockage à eau, stockage au gravier... 10 Tableau 4: Dimensions du forage géothermique... 11 Tableau 5: Exemples de projets avec forage géothermique... 12 Tableau 6: Comparaison des capacités de stockages... 15 Tableau 7: Avantages et inconvénients du stockage par chaleur latente... 16 Tableau 8: Comparaison des différentes technologies de stockage... 20 Tableau 9: Analyse économique des différentes solutions... 42 Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 4
Introduction et contexte : L augmentation de la consommation mondiale en énergie alliée à des problèmes de disponibilité des ressources fossiles et les émissions de gaz à effet de serre dégagées par ces dernières font que le recours aux énergies renouvelables devient une priorité. Néanmoins, ces énergies sont parfois saisonnières, comme le solaire, ou à forte inertie, comme les chaudières biomasse dont le rendement est dégradé par des mises en marche et arrêt trop fréquentes. En effet, la dynamique des chaudières n est pas suffisante en pratique pour répondre à des variations importantes de charge. De ce fait, la chaudière d appoint à énergie non renouvelable s enclenche, et le taux de couverture renouvelable se retrouve dégradé. Le stockage de la chaleur pendant les heures creuses et la réutilisation de cette chaleur sur d autres périodes permettrait d améliorer le fonctionnement des chaufferies biomasse, d augmenter le taux de couverture et par là d améliorer l économie de ce type de technologie. De ce fait, les principales motivations qui mènent au stockage de la chaleur sont : Utiliser de façon optimale les énergies renouvelables et intermittentes Récupérer la chaleur ou le froid Bénéficier d un tarif avantageux Ecrêter les pics de puissance Réduire le nombre d enclenchements/déclenchements En plus de la question d une meilleure utilisation des énergies renouvelables ainsi que la durée de stockage (utilisation journalière et/ou saisonnière), l accumulation de chaleur pose aussi la question du choix du type de stockage. En effet, d autres moyens existent que le traditionnel stockage dans une cuve à eau. Pour ce faire il faut distinguer : La chaleur sensible La chaleur latente de fusion La chaleur latente de vaporisation La chaleur de réaction chimique La première partie de mon PFE a donc consisté en une phase de recherches concernant ces différents moyens de stocker la chaleur. Le but est également de trouver des exemples d installations dans le monde et d obtenir des retours d expériences. Dans une seconde partie, j ai mis en pratique mes recherches pour des cas concrets notamment le parc de loisirs Center Parcs en Moselle. En effet, un agrandissement du parc est prévu ce qui engendrera des augmentations de consommations d environ 25%. L objectif est de parvenir à conserver les installations existantes à savoir une chaudière biomasse et deux chaudières gaz, tout en optimisant leur fonctionnement grâce au stockage de la chaleur. L enjeu est à la fois économique, ne pas construire de chaufferie supplémentaire, et écologique, optimiser la chaudière biomasse pour conserver un taux de couverture bois de 90% malgré l augmentation des consommations. Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 5
1. Les différents stockages : 1.1 Stockage de la chaleur sensible : Dans le cas du stockage sous chaleur sensible, l énergie thermique est récupérée par augmentation d enthalpie du matériau de stockage sans que celui-ci ne change d état. Cette énergie peut être stockée dans des matériaux liquides ou solides comme la terre, la roche ou le sable. La chaleur sensible peut être stockée en cuve extérieure ou enterrée, dans des sondes géothermiques ou encore dans des aquifères. 1.1.1 Stockage en cuve : Ce type de stockage est utilisé pour le stockage saisonnier ou journalier : Le stockage peut se faire dans de l eau, du gravier, du sable, de la roche. Dans les différentes réalisations deux principaux types sont relevés : Le stockage en cuve à eau enterré ou non Le stockage en fosse eau et gravier (fosse remplie de gravier, à chargement indirect le plus souvent : au fond et au dessus circule de l eau dans des tubes PVC qui transmet sa chaleur aux graviers). Exemple : Figure 1: Comparaison stockage enterré à eau et au gravier [1] [2] Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 6
Forme : La forme idéale d un point de vue thermique est la sphère mais ce n est pas réalisable en pratique. Les stockages enterrés peuvent être cubique, cylindrique, en pyramide ou cône inversé(e) ou encore une combinaison de ces différentes géométries. Cependant, pour éviter les effets de bords qui créent des zones froides, les angles droits sont à éviter. Les stockages extérieurs sont généralement cylindriques Enveloppe : L enveloppe peut être en béton (préfabriqué ou coulé sur place), en acier ou, pour le stockage du gravier, uniquement une membrane constituée d une étanchéité, d une isolation et d une protection. Pour le stockage en béton, le revêtement intérieur utilisé est l acier inoxydable, ou certains polymères comme les polyoléfines (PP, HDPE, LDPE) ou les élastomères (EPDM IIR). Le bitume, l argile, les résines, le béton haute étanchéité et l asphalte sont également testés dans des projets pilotes. Les fuites sont un réel problème pour le stockage en gravier, sable ou roche. En effet, elles ne peuvent pas être réparées contrairement à une cuve à eau qui peut facilement être vidée. Isolant : Les projets plus anciens sont isolés avec de la laine de roche, de la laine minérale, du polyuréthane expansé ou extrudé, ou encore du polystyrène. Néanmoins, les projets plus récents de cuves verticales utilisent des matériaux isolants en vrac comme le verre expansé ou «gravier de mousse de verre» (GLAPOR). Ce matériau est particulièrement adapté aux grands volumes (supérieurs à 2000 m 3 ) car le coût et le temps de montage est inférieur aux isolants à poser. De plus, il résiste bien à la pression et aux températures élevées. Il n y a pas de consensus quant aux zones de la cuve à isoler ou non. Certains isolent toute la cuve, d autres uniquement les parois latérales etc. Cf. Annexe 1 : Tableau des isolations utilisées dans les différents projets. Composition des cuves en béton : Figure 2: Exemple d une isolation intérieure [2] Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 7
Figure 3: Exemple d une isolation extérieure [2] Figure 4:Composition des fosses [4] Couverture des stockages enterrés: Le stockage à eau enterré présente un inconvénient de taille face au stockage au gravier : la construction de la couverture du stockage bien plus complexe et plus coûteuse (50% du coût total de la construction). Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 8
Tableau 1: Différents types de couverture Les systèmes autoportant et flottant se valent. En effet, bien que l économie d un système flottant par rapport à un système autoportant soit évidente, s il faut déplacer la couverture en cas de dommages, le système autoportant est plus avantageux. De plus, il est plus rigide grâce à sa forme incurvée. Les systèmes flottants ne sont pas recouverts de terre. Par conséquent, ils doivent être recouverts par une couverture anti UV et pluie. Un angle de 2 à 3 est préconisé pour permettre à l eau de pluie d être drainée. Comparatif [2]: En comparant les capacités thermiques de l eau et du gravier, il apparait clairement que l eau permet un volume de stockage nettement plus faible que le gravier. Malgré tout, la conductivité thermique du gravier est plus élevée que l eau, il permet donc une meilleure stratification. Chaleur massique en J.kg -1.K -1 Chaleur volumique en J.m -3.K -1 Conductivité thermique en W.m -1.K -1 Eau 4185 4.185 0.63 Gravier 2000 à 2200 0.97 à 1.03 1.8 à 2.5 Tableau 2: Comparaison de l'eau et du gravier Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 9
De plus le stockage en eau chaude est plus dynamique et réactif et ne nécessite pas de cuve de stockage complémentaire. Le temps de charge et de décharge dans le sol ou dans le gravier est quant à lui très long. Les stockages enterrés doivent être équipés d une ou plusieurs cuves de stockage indirect. En effet, comme le temps de décharge est long, la cuve à eau extérieure permet de gagner en rapidité. Avantages Stockage eau chaude ++ Réparations et maintenance ++ Réactivité + Capacité thermique + Stratification thermique Stockage gravier, sol, sable et eau ++ Couverture simple + Faible exigence statique + Conductivité plus élevée que l eau Inconvénients cuves enterrés Inconvénients Cuves extérieures --Couverture sophistiquée et chère -Exigence statique élevée pour couvrir la charge -Coût de l enfouissement ou de l excavation du sol -Soudage et jointement complexe --Encombrement - Pertes -- Capacité thermique -- Nécessité d une cuve de stockage complémentaire -- Maintenance et réparations impossibles - Temps de charge - Coût du gravier Tableau 3: Comparaison stockage à eau, stockage au gravier Pour alléger le coût du gravier (dont la pureté et la qualité est contrôlée), certaines installations intercalent entre deux couches de graviers une couche de sable [1] : Figure 5: Composition du stockage gravier et sable 1.1.2 Stockage en puits géothermiques : La chaleur est chargée et déchargée à travers des sondes verticales d une profondeur de 30 à 100 mètres. Les sondes peuvent être simples, en double U ou encore Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 10
concentriques. L espace entre les sondes varie de 1,5 à 3 m selon la taille et la profondeur du stockage [4] [5]. Tableau 4: Dimensions du forage géothermique Figure 6: Composition des sondes géothermiques Un certain nombre de sondes sont reliées en série puis elles sont reliées entre elles en parallèle. Ainsi, l avantage majeur de ce système est sa modularité. En effet, d autres sondes peuvent être ajoutées en cas d extension. Le stockage est alimenté en chaleur au centre puis le flux progresse vers la périphérie à travers les différents réseaux de sondes en séries. Pour la décharge du stockage, le flux suit le chemin inverse. Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 11
Figure 7: Exemple de positionnement des sondes au Canada (DLSC) A la surface, une isolation permet de réduire les pertes thermiques à l ambiance. Le reste du système n est pas isolé car il n est pas accessible. Pour le dimensionnement des sondes, la conductivité et la capacité thermique du sol sont des paramètres importants à considérer avec le rendement. La conductivité est relative à la composition minérale et à la porosité du sol. Normalement, cette conductivité est de l ordre de 2 à 5 W/ (m.k). La capacité thermique est relative à la teneur en eau de la strate qui dépend du niveau de la nappe phréatique et de la porosité du sol. Une porosité élevée au niveau de la nappe phréatique constitue une faible capacité thermique. Ainsi l efficacité de ce système de stockage est directement influencée par la nature du sol et la présence d une nappe phréatique. Plus d informations concernant le dimensionnement sont données en annexe 2. Différents projets ont vu le jour dans le but par exemple de dégivrer un pont avec l énergie solaire (projet Serso) ou encore des projets de réseaux de chaleur solaires. Différents exemples de ces réseaux solaires sont détaillés ci-dessous. Tableau 5: Exemples de projets avec forage géothermique Les stockages par forages géothermiques sont relativement lents donc l ajout de réservoir tampons est nécessaire pour fonctionner en réseau de chaleur solaire. Pour la Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 12
charge, l eau chaude y est d abord stockée avant d être transférée au stockage géothermique. Pour la décharge, le cheminement est inversé. Le schéma de principe est le suivant : Figure 8: Schéma de principe d'un réseau de chaleur solaire avec stockage Par ailleurs, un réseau de tubes parallèles en double U permet la recharge solaire dans un sens et la décharge vers les bâtiments. Figure 9: Système de charge et de décharge Différents choix sont possibles : avec d importantes surfaces de capteurs, le taux de couverture solaire peut atteindre 100%. Dans ce cas, les pertes thermiques représentent un tiers de l énergie collectée. Par contre en utilisant un cinquième de la surface de capteurs, il est possible de maintenir le stockage géothermique à une température suffisante pour obtenir un COP de 4 en utilisant une pompe à chaleur. La fraction solaire est alors de 75% [5]. Par exemple, au Canada, le réseau solaire DLSC a atteint pendant sa cinquième année de fonctionnement un taux de couverture solaire de 90% sans utiliser de pompe à chaleur. Cf. en annexe 3 : détails du réseau DLSC au Canada et source [10]. Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 13
Le forage géothermique est donc particulièrement adapté pour le stockage saisonnier en raison de sa capacité de stockage importante et de part sa forte inertie. 1.1.3 Stockage en aquifère: L aquifère utilise en effet une nappe phréatique pour stocker la chaleur. Le schéma cidessous décrit les flux au moment de la charge et de la décharge. Figure 10: Schéma d'une installation avec aquifère [2] Comme les aquifères ne peuvent être isolés, le stockage pour des températures élevées (supérieures à 50 C) n est efficace que pour des volumes supérieurs à 20 000 m 3. Ce système nécessite un terrain favorable et des études préalables poussées avant d exploiter la nappe. Si tous les critères sont réunis, le temps de retour sur investissement sera relativement court par rapport au forage géothermique. 1.1.4 Coûts : Différents exemples permettent d approcher les coûts engendrés pour chaque type de construction: Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 14
Figure 11: Exemple des coûts totaux pour différents types de projets sans TVA et coût d étude [2] Au premier abord, les forages et les aquifères semblent être les solutions les plus économiques. Cependant, ce sont les deux technologies où l étude est la plus longue et la plus complexe. Le graphe suivant montre que le coût diminue avec l augmentation du volume de stockage : Figure 12: Variation du coût en fonction de la taille du stockage [2] Généralement, le stockage en cuve à eau chaude est le plus cher mais il concerne principalement des stockages journaliers de petites tailles. Or nous avons vu que le coût diminue avec l augmentation du volume. Malgré cela, la cuve à eau présente des avantages thermiques et thermodynamiques et peut être construite n importe où. Type de stockage Capacité de stockage Volume de stockage en eau équivalent Cuve à eau Cuve gravier/eau Sondes géothermiques Aquifère 60 à 80 kwh/m 3 35 à 50 kwh/m 3 15 à 30 kwh/m 3 30 à 40 kwh/m 3 1 m 3 1.3 à 2 m 3 3 à 5m 3 2 à 3 m 3 Tableau 6: Comparaison des capacités de stockages En prenant en compte la capacité de stockage, l eau reste la meilleure solution mais présente d autres contraintes techniques pour des grandes installations. Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 15
Les systèmes les moins coûteux sont les aquifères et les forages géothermiques. Mais, ils sont adaptés au stockage saisonnier et nécessitent des équipements supplémentaires pour être utilisés en stockage journalier et saisonnier, comme une cuve extérieure ou un traitement de l eau. De plus, ils ont les exigences les plus élevées au niveau de la qualité du sol et une étude préalable du sol est nécessaire. La cuve à eau reste particulièrement bien adaptée au stockage journalier. Ainsi, il n y a pas que le coût du système de stockage à prendre en compte mais également la performance thermique, le système de connexion et la fréquence de stockage visée : journalier ou saisonnier. Pour chaque projet, tous les systèmes doivent être étudiés séparément. 1.2 Stockage de la chaleur latente de fusion: 1.2.1 Fonctionnement : Dans le cas du stockage sous chaleur latente, l énergie thermique est récupérée par augmentation d enthalpie du matériau de stockage avec changement d état. Il existe différents types de matériaux à changement de phase [7]. Les solutions aqueuses de sels et d eau sont utilisées à basses températures et sont relativement bon marché. Cependant, les phénomènes de surfusion et de corrosion posent problèmes. Les matériaux issus du carbone (alcanes, paraffines, polyols, polymères). Ces matériaux sont les plus chers et les plus dangereux à cause de leur inflammabilité. Il y a également des problèmes de surfusion pour certains d entre eux. La température de fusion se situe entre 60 C et 80 C. Les matériaux inorganiques (sans carbone) tels que les sels (chlorures, sulfates, nitrates ) et les mélanges binaires ou ternaires. Ils ont de fortes capacités de stockages pour des prix peu élevés. Néanmoins, ils ont tendance à corroder leurs cuves de rétention ce qui peut être un problème lorsqu ils sont intégrés à des réseaux d ECS. La température de fusion se situe à environ 115 C. Les métaux. Ils peuvent être utilisés à hautes températures, ils sont lourds, chers et présentent une faible capacité thermique. Leurs fortes conductivités thermiques leur permettent de bonnes performances lorsque les puissances échangées sont importantes. Avantages Capacité de stockage importante donc réduction du volume des ballons de stockage Température «autorégulée» Température stabilisée à la température de fusion quand cohabitent phase liquide et phase solide Modulable : On peut facilement ajouter ou enlever des éléments Inconvénients Phénomène de surfusion et de corrosion Faible conductivité thermique Stabilité thermique et chimique Toxicité et inflammabilité Grande variété de MCP donc large choix de température de fusion Disponibilité Prix Tableau 7: Avantages et inconvénients du stockage par chaleur latente Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 16
La société Kaplan Energy [8] commercialise l E-Stocker. Cette société a effectué des recherches avec la collaboration de l INSA Lyon, du COSTIC, le Centre de Thermique de Lyon et le CNRS. Sa caractéristique technique principale est de pouvoir stocker treize fois plus d énergie que l eau. Figure 13: Capsule E-stocker L accumulateur E-Stocker est composé de nombreux matériaux à changement de phase qui emmagasinent la chaleur et la restituent quand les systèmes de chauffage ne produisent pas d énergie. L avantage de combiner différents matériaux est de palier à leurs inconvénients individuels. Ces capsules présentent une phase liquide et une phase solide qui cohabitent. Or, leurs résistances thermiques sont différentes ainsi la variation du rapport volumique entre ces deux phases modifie la conductivité thermique de l ensemble de la capsule et donc la puissance potentiellement absorbée. Ce système est adapté aux installations solaires, aux chaudières biomasse, aux PAC et aux installations fonctionnant à haute température. Au-delà de 200 C, l E-Stocker n est pas conseillé car les nodules utilisés ne supportent pas une telle température. Les nodules sont 100% biodégradables. 1.2.2 Etat de la recherche : La société Kaplan réalise actuellement des tests concernant différentes solutions de stockage d'énergie thermique E-Stocker pour différentes températures et différents marchés et applications : Solaire thermique, Pompe à Chaleur, Pile à combustible,... Recherche IEA, tâche 32 [7] : L IEA (International Energy Agency) propose un programme de recherche SHC (Solar Heating and Cooling) regroupant 18 pays. Le but de la tâche 32 est de rechercher des solutions nouvelles pour le stockage de l énergie thermique dans les systèmes de chauffage ou de refroidissement des bâtiments. Six projets sont en cours d'élaboration dans la sous-tâche C. La plupart d'entre eux utilisent l'acétate de sodium en tant que matériau à changement de phase. Le principal travail de l'année 2005 a été la caractérisation de la matière dans différentes combinaisons d exhausteurs de transfert de chaleur. Le coefficient de transfert de chaleur est en effet le facteur limitant pour un stockage utile des matériaux à changement de phase, et il a été Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 17
montré que la préparation des échantillons peut induire des résultats très différents pour les propriétés du matériau. Il est prévu que cette recherche soit aussi un travail préliminaire pour une norme internationale sur ces matériaux pour le stockage de la chaleur. La conclusion est la suivante : L introduction de tels matériaux ne permet pas un gain significatif sur la fraction annuelle solaire dans la configuration étudiée. Une des raisons est la lenteur de la diffusion dans le matériau qui limite les puissances absorbées et soutirables. Une puissance trop grande ne permet pas aux matériaux à changement de phase d emmagasiner/restituer la chaleur étant donné le mauvais transfert de chaleur dans ce type de matériau, même dans le cas d un mélange de sodium acétate avec du graphite. 1.3 Stockage de la chaleur latente de vaporisation: Quand un liquide passe à l état vapeur, il absorbe une grande quantité d énergie correspondant à sa chaleur latente de vaporisation. Certains composés permettent d absorber une grande quantité de vapeur à température ambiante et de la restituer à une température plus élevée. Ce phénomène qualifié de sorption se traduit par l absorption et l adsorption. On parle d absorbant pour un sorbant liquide et d adsorbant pour un sorbant solide poreux. Il "boit" la vapeur d'eau contenue dans l'ambiance, et la retient. Au fur et à mesure qu'il ab/adsorbe de la vapeur, sa capacité d'ab/adsorption diminue jusqu'à être nulle, à saturation. Le sorbant est alors chauffé à une certaine température et "rend" la vapeur d'eau. Il récupère alors toutes ses propriétés d'ab/adsorption. La machine frigorifique à absorption se divise en quatre composants principaux : l'évaporateur, l'absorbeur, le concentrateur, le condenseur. 1.3.1 Avantages : Un premier avantage réside dans l'absence de compresseur mécanique, donc de vibrations et de bruits. D'où le fait que ces machines demandent un entretien limité et présentent une grande longévité. Le second avantage vient de la possibilité de valoriser une énergie calorifique disponible et d'éviter ainsi la consommation électrique d'un compresseur Pour l adsorption, les matériaux privilégiés sont la zéolithe et le silicagel. Les niveaux de températures sont de 30 à 60 C en système fermé et de 20 à 60 C en système ouvert. Pour l absorption, les matériaux privilégiés sont LiCl et LiBr. Les niveaux de températures sont de 40 à 120 C en système fermé et de 20 à 40 C en système ouvert. 1.3.2 Inconvénients : L inconvénient majeur de cette technologie est qu elle est toujours à l état de recherche fondamentale. La sorption des solutions de stockage semble être complexe et plus adaptée à des systèmes de pompes à chaleur, où le chauffage et le refroidissement peuvent être atteints, que de purs systèmes solaires. 1.3.3 Etat de la recherche IEA: Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 18
En Suède, l accumulateur Thermochimique (ATC) [7] repose sur un principe de sorption avec une solution concentrée. L'appareil peut produire de la chaleur et du froid et est mieux adapté pour le climat du sud de l Europe. Plusieurs prototypes ont été testés par différents centres de recherche pour atteindre une fiabilité du produit. La zéolite est toujours une option, mais la force motrice nécessaire pour la décharge est toujours un facteur limitant. Une idée née en Allemagne pour un stockage saisonnier à base de zéolithe (8m 3 pour une maison unifamiliale) a été proposée mais cette recherche fondamentale ne débouchera pas sur des applications industrielles avant plusieurs années En Autriche, un réservoir de stockage rempli de 1000 kg de gel de silice a été installé en 2005 dans un système combiné d'une maison solaire. L équipe autrichienne a montré que le silicagel ne permet pas de réaliser un stockage efficace, la charge s effecte correctement en été mais la décharge ne procure pas des augmentations de température suffisantes pour être utilisable. Le matériau ne convient pas. 1.4 Stockage de la chaleur thermochimique En été, deux composés chimiques sont séparés grâce à un apport de chaleur : c est le phénomène de désorption. Un des composés est transformé en vapeur, il est condensé par un échangeur puis stocké, l autre est transformé en liquide, il est stocké séparément du premier. En hiver, l évaporation est réalisée à faible température le liquide stocké. Le mélange des deux produits provoque une réaction exothermique dont on utilise la chaleur créée. Puis le mélange est réintroduit dans le désorbeur pour une prochaine réutilisation. 1.4.1 Avantages : Le volume de stockage est 30% inférieur à celui de l eau [9]. L énergie stockée n est pas influencée par le changement de température donc il n y a pas besoin d isolation thermique sans pour autant avoir de pertes durant le changement de saison. 1.4.2 Inconvénients : Les produits utilisés sont toxiques et la réversibilité de la réaction pose toujours problème. Ce procédé est toujours au stade de recherche. 1.4.3 Etat de la recherche IEA : Un projet de recherche en laboratoire en Suisse a débuté en 2005 [7]: utilisation de NaOH pour la gamme 60-150 C. Le matériau possède les caractéristiques essentielles d un stock chimique pour l habitat. Pour un usage de 70 C à 20 C la densité de stockage est le triple de celle de l eau, ce qui permet un espoir de stock saisonnier de taille raisonnable (8 à 10 m 3 ) pour une villa à basse consommation pour autant qu une source de chaleur à basse température telle des sondes puisse être disponible en hiver. Les premières performances thermiques sur le prototype de 200 litres et 1 kw d échangeur réalisé en laboratoire sont meilleures qu attendues, avec une température de charge de 120 C au lieu de 150 C! Par contre, les effets corrosifs du produit sur l élastomère de tuyaux immergés se montrent plus rapides que prévus. Un démontage pour une reconstruction avec une isolation encore plus importante est prévu. Les objectifs du premier prototype ont été atteints. Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 19
1.5 Conclusions : Chaleur sensible Chaleur latente de fusion Chaleur latente de vaporisation Chaleur de réaction chimique Technique maîtrisée Coût Construction+étude Facilité de mise en œuvre Type de stockage Cuve ou ++ ++ ++ Journalier fosse Géothermie + + - Saisonnier Aquifère + + - Saisonnier Matériaux à - ++ ++ Journalier changement de phase Ab ou Adsorption -- -- -- Etat de recherche Désorption -- -- -- Etat de recherche Saisonnier Saisonnier Tableau 8: Comparaison des différentes technologies de stockage Le tableau ci-dessus présente un comparatif des différentes technologies de stockage. La graduation «++/ +/ - /--» est basée sur le taux de réalisation des projets pour la maîtrise de la technique, des coûts de ces projets, et des matériaux utilisés pour la facilité de mise en œuvre. Le stockage par chaleur sensible est le type de stockage le plus aboutit à l heure actuelle. Pour des stockages de type saisonnier, la géothermie et l aquifère sont à privilégier en fonction du terrain. Pour des stockages de type journalier, la cuve à eau reste la meilleure solution. On parle alors d hydro-accumulation ou d hydro-stockage. Néanmoins, les stockages sous forme de chaleur sensible sont encombrants d où le développement d autres types de stockages accès sur la réduction du volume de stockage. Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 20
2. La stratification La stratification est un enjeu majeur du stockage de la chaleur. En effet, un ballon non stratifié signifie un mélange et donc un temps beaucoup plus important pour atteindre la température voulue. La stratification permet d obtenir rapidement une couche du ballon à la température maximale puis, peu à peu, la couche s étend et finit par atteindre toute la hauteur du ballon. 2.1 Stockage en cuve : Différents paramètres améliorent la stratification: 2.1.1 Le ratio hauteur/diamètre D un point de vue thermique, le ballon doit se rapprocher de la forme d une sphère donc un rapport H/D égal à 1. Mais pour une bonne stratification le rapport H/D doit être beaucoup plus élevé. Les différentes études menées concluent qu un haut degré de stratification sans pertes thermiques excessives est atteint pour un rapport H/D de 3 à 4 [3]. Pour un stockage saisonnier le nombre de charge est moins fréquent que pour un stockage journalier. Ainsi, différentes expérimentations sur TRNSYS menées par Highcombi [2] ont conclues que pour un stockage saisonnier un rapport h/d de 1 est conseillé. Le graphe ci-dessous montre l augmentation du rendement de charge/décharge avec l augmentation du rapport H/D [4]. Ce résultat est basé sur une étude de l université de Stuttgart basée sur la méthode CFD. Figure 14: Evolution du rendement de charge/décharge avec le rapport H/D 2.1.2 La vitesse du jet Ballon vertical : Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 21
La vitesse du jet peut également être réduite de façon significative en cassant son énergie cinétique. Pour cela, le fluide passe par des chicanes avant d atteindre réellement le ballon, la vitesse est ainsi très fortement réduite et le chaud montera naturellement dans le ballon grâce à la différence de densité. L écoulement passe de turbulent à laminaire. Ce principe de «casser» l énergie cinétique a fait l objet d un brevet par l entreprise allemande Ratiotherm [12] dont voici son principe : Figure 15: Vue en coupe de la charge et décharge dans la canne de stratification Pour la charge du ballon, l eau est amenée dans la canne de stratification à la hauteur du ballon correspondant à la température fournie. Par exemple, une chaudière gaz fournira de l eau à 90 C et sera donc amenée directement en haut du ballon, tandis qu une pompe à chaleur fournira une température inférieure et sera reliée plutôt au milieu du ballon. En même temps que l eau chaude est injectée, l eau froide est évacuée en bas du ballon. Pour la décharge, l eau chaude est puisée au point le plus haut du ballon. Dans un même temps l eau froide est injectée dans le bas du ballon. Sondes de température placées à différentes hauteurs dans le ballon et centralisées dans une canne non solidaire pour une mesure exacte Canne de stratification avec chicanes pour casser l énergie cinétique Figure 16: Charge et décharge du ballon avec canne de stratification Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 22
Avec cette méthode, un ratio h/d de 1 peut être conservé tout en ayant une stratification parfaitement contrôlée. Ce système s adapte bien aux contraintes de dimensions qui peuvent être liées au site. La société Solarbayer propose également un système de stratification qui casse l énergie cinétique à l aide du «Schichtleitsystem» : système de contrôle de la stratification [13]. Le flux est freiné dans le cylindre en acier et le fluide est ensuite envoyé vers le réseau ou stocké dans le ballon via les petits orifices. Figure 17: Système de stratification Solarbayer M. Triboix, professeur à l INSA, a également déposé un brevet qui consiste à faire passer le fluide dans un enroulement créant ainsi un vortex. La sortie de l eau se fait au centre de ce tourbillon qui est une zone calme. L écoulement reste turbulent mais a beaucoup perdu en intensité. Le but de ce système est de réduire à la fois la vitesse, la pression et l intensité de la turbulence. Ce dispositif peut être intégré au ballon de la façon suivante. Départ chaudière Départ réseau Le fluide passe dans le vortex Retour chaudière Retour réseau Figure 18: Brise-jet développé par M. Triboix Ce système doit maintenant être réalisé et testé en laboratoire avant d être installé sur un site pour pouvoir évaluer ses performances. Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 23
Voici une expérience réalisée par Ratiotherm qui présente un ballon classique et un ballon utilisant leur système de stratification. L animation montre clairement le mélange dans le ballon quand celui-ci n est pas stratifié. Au bout de deux heures il n a toujours pas atteint la température voulue. Le ballon stratifié permet au bout de 23 minutes seulement d obtenir une couche du ballon à la température voulue. Ballon classique Ballon stratifié Figure 19: Expérience réalisée par Ratiotherm sur la stratification Simulation : A l aide d Excel, j ai voulu modéliser la répartition des températures dans le ballon. Je divise un ballon cylindrique en couches de températures uniformes avec un pas p uniforme. L eau chaude est injectée par le haut du ballon avec une vitesse v. Accumulation Transport Pertes Diffusion T ρ C A t T = ρ C A V z dz + US lat ( T amb 2 T T ) dz + λ A dz 2 z ρ : masse volumique de l eau C : Capacité thermique de l eau V : Volume d une couche v : vitesse du fluide en entrée A : Surface horizontale de la couche Slat : Surface latérale de la couche λ= conductivité thermique On pose a λ = = a la aire aturbulent c + min ρ On obtient ainsi la température de chaque couche à chaque pas de temps au fur et à mesure que la chaleur est injectée par le haut du ballon. La résolution de cette équation est détaillée en annexe 4. La valeur du coefficient de diffusion «a» permet de mettre en avant l importance de la turbulence dans le stockage, pour cela un cas idéal avec un écoulement purement laminaire a été comparé à un Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 24
Temps écoulement turbulent. Puis, l impact du brise jet a été étudié. Les résultats sont les suivants : Profondeur dans le ballon Figure 20: Cas idéal sans turbulence Figure 21: Cas réel avec brise jet Figure 22: Cas réel sans brise jet Etudiant : Monchaux Juliette Tuteur : Grosshaeny Marc Le stockage de la chaleur Juin 2012 25
La couche séparant le fluide chaud injecté et le fluide froid est plus faible grâce au brise jet. Cette simulation montre l impact de la turbulence dans le stockage de la chaleur en cuve. Il est donc important d obtenir un ballon bien stratifié pour éviter les phénomènes de mélanges. Ballon horizontal : Au Canada, le DLSC est composé d un stockage géothermique et de deux cuves horizontales. Chaque cuve est composée d un déflecteur horizontal qui permet d empêcher le mélange entre le haut et le bas du ballon. Comme le bas de la première cuve est relié au haut du ballon suivant, ce qui permet d obtenir 4 niveaux de températures avec un encombrement restreint. Chaque cuve mesure 3.7 mètres de diamètre et 11 mètres de long soit un volume de 120 m 3. Figure 23: Déflecteur horizontal utilisé au Canada [10] Les ballons horizontaux présentent des inconvénients. Par exemple, la strate d échange entre les niveaux de températures, la thermocline, comprendra plus de fluide et une surface d échange plus importante que pour un ballon vertical. Cependant, ce type de ballon permet de faciliter l intégration architecturale d un ballon de plusieurs mètres de haut. Ci-dessous un autre exemple de ballon horizontal proposé par l entreprise néerlandaise HORCONEX [14]. Des tubes perforés sont utilisés sur toute la longueur du ballon pour tendre vers un flux laminaire. Figure 24: Ballons horizontaux HORCONEX Etudiant : Monchaux Juliette Le stockage de la chaleur 26