Énergies renouvelables Stocker la chaleur de l’été pour l’hiver

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Le stockage de l’énergie constitue un élément clé pour compenser l’intermittence des énergies renouvelables. L’été, alors que les besoins thermiques sont au minimum, l’énergie solaire disponible, elle, se trouve au maximum : la stocker pour l’utiliser en hiver prend alors tout son sens.

Il est possible de stocker l’énergie thermique sous différentes formes, en utilisant la capacité des matériaux à libérer ou à stocker de la chaleur par le biais d’un transfert thermique. Ce transfert et ce stockage peuvent être réalisés de trois manières distinctes. Tout d’abord, par changement de la température d’un matériau, dans lequel la chaleur est emmagasinée : on parle de « chaleur sensible ». Ensuite, par changement de phase du matériau, généralement le passage d’un état solide à un état liquide pour un matériau dont la variation volumique est faible : il s’agit alors de « chaleur latente ». Enfin, troisième solution : le stockage thermochimique, par sorption ou réaction.

Chaleur sensible

Dans le cas de la chaleur sensible, il est couramment admis qu’il faut stocker 2 kWh en été pour obtenir 1 kWh utilisable en hiver, du fait des pertes thermiques. Les solutions consistent essentiellement en du stockage liquide de grande capacité (ballons d’eau chaude) ou du stockage dit « solide », directement dans le sous-sol. On retrouve ainsi des réservoirs dans des aquifères naturels (nommés ATES pour Aquifer Thermal Energy Storage), dans des roches ou en souterrain (UTES ou BTES pour Underground ou Borehole Thermal Energy Storage), voire dans des cuves en surface ou plus ou moins enterrées. Deux facteurs jouent un rôle clé pour les matériaux de stockage étudiés : l’inertie thermique (nature des roches et sous-sols, sables, bétons, céramiques) et la capacité à supporter les variations en températures.

Chaleur latente et matériaux à changement de phase

Dans le procédé par chaleur latente, l’énergie est stockée grâce au changement d’état du matériau (solide, liquide, vapeur). Elle dépend de la chaleur latente, c’est-à-dire de la quantité d’énergie qu’il faut pour que le matériau change d’état, et de la quantité de celui-ci. « Contrairement à la chaleur sensible, ce type de solution peut s’avérer efficace lorsque les différences de températures sont très faibles », indique Philippe Papillon, ingénieur de recherche à l’Institut national de l’énergie solaire-Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (Ines-CEA). Dans le cas des changements de phase solide-liquide (fusion) ou liquide-vapeur (vaporisation), et pour une quantité d’énergie stockée et un matériau de stockage donnés, la chaleur latente nécessite un volume moindre que la chaleur sensible : généralement, elle est en effet beaucoup plus élevée que la capacité calorifique. « La température de changement de phase dépend de chaque matériau, mais autour de cette valeur, on peut stocker beaucoup plus d’énergie. La rentabilité économique s’avère d’emblée plus intéressante », précise l’ingénieur de recherche.
Les matériaux à changement de phase (MCP) sont de deux types : organiques (acides gras et paraffines) ou inorganiques (sels hydratés). Ils sont également utilisés dans les matériaux de construction pour tempérer les bâtiments. La société Cristopia, filiale de Ciat, propose une solution de production de froid à partir d’un stockage en cuve avec des matériaux à changement de phase permettant d’obtenir une densité d’énergie très élevée (6 à 12 fois plus importante que le stockage d’énergie sensible). En fonction des matériaux, la température de changement de phase varie de -15 à 0°C. Quant au dimensionnement de l’installation de froid, il est réduit de 30 à 70 %.
La solution Isocal proposée par Viessmann pour assurer à la fois le chauffage et le rafraîchissement est destinée, elle, au tertiaire ainsi qu’à l’habitat individuel. Elle recourt à la chaleur latente de la fusion-solidification de l’eau, grâce à un réservoir d’eau glacée (lire l’encadré p. 33). Comparée à une solution au gaz ou aux granulés de bois, pour une maison de 150 m2 et une famille de quatre personnes, sur l’ensemble des coûts d’installation, exploitation-maintenance et entretien (incluant le coût des énergies et leur hausse prévisionnelle), le fabricant annonce 20 à 40 % d’économies, sur une durée de quinze ans. De nombreux projets de ce type sont en développement, en particulier aux États-Unis, à l’instar de Metallic Composites Phase-Change Materials for High-Temperature Thermal Energy Storage, conduit au Massachusetts Institute of Technology avec des nanomatériaux fondus.

Stockage thermochimique

Dernière solution, prometteuse, le stockage thermochimique. Le principe met en œuvre une réaction chimique réversible qui sépare deux composants d’un produit sous l’effet d’une source de chaleur. Les deux (ou plus) composants sont alors stockés séparément et la chaleur est restituée lorsqu’ils sont remis en présence l’un de l’autre et reforment le produit initial.
L’Ines a réalisé un démonstrateur en taille réel sur ce principe. Sous l’effet de la chaleur, un sel est dissocié de sa vapeur d’eau. En hiver, la mise en présence d’eau amène une réaction exothermique. C’est à cette occasion que la chaleur est restituée.
« Nous avons choisi du bromure de strontium, mais d’autres sels peuvent être utilisés : le chlorure de calcium, qui sert en partie au salage des routes, ou des composites combinant plusieurs sels », explique Joël Wyttenbach, chargé du projet démonstrateur au sein de l’Ines. Le procédé présente deux intérêts majeurs : l’absence de perte thermique et une densité énergétique de stockage 4 à 5 fois supérieure à l’eau, soit 200 à 300 kWh par m3. Ainsi, pour couvrir 100 % des besoins d’eau chaude sanitaire et de chauffage d’une maison RT 2012, environ 3 000 kWh, un réservoir thermochimique de 10 m3 « suffirait ». Un volume qui reste néanmoins non négligeable pour une maison individuelle. En outre, ces matériaux ne se dégradent pas et sont toujours recyclables. Enfin, la fréquence de cycle charge-décharge peut être augmentée et on peut effectuer 20 à 50 cycles par an, ce qui améliore significativement la rentabilité du système. Mais dans ce cas, on sort, bien sûr, de la logique de stockage saisonnier.

Rentabilité des systèmes à grande échelle

L’équation économique des systèmes de stockage saisonniers n’est pas aisée et la rentabilité n’est pas toujours au rendez-vous, car elles varient considérablement selon la nature des projets. Les grands collectifs, les réseaux de chaleur, mais également les bâtiments tertiaires semblent mieux placés, du fait des besoins de chaleur en hiver et de froid en été. Aussi ces solutions suscitent-elles un vif intérêt dans le monde. En Europe, deux chercheurs du Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems de Fribourg-en-Brisgau ont récemment modélisé le fonctionnement du réseau électrique allemand. Ils ont conclu qu’il existe plusieurs solutions économiquement viables pour évoluer vers le tout énergies renouvelables. Dont le stockage d’électricité sous forme de chaleur. Ils envisagent ainsi une capacité à atteindre de 150 installations centralisées de stockage saisonnier. Ce modèle montre que les technologies disponibles aujourd’hui (stockage d’électricité, électrolyse, stockage de la chaleur, etc.), à leurs prix actuels, suffiraient à atteindre économiquement les buts fixés.

N°343

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