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Les nouveaux emplois d’une technique déjà ancienne

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Les nouveaux emplois d’une technique déjà ancienne

Le stockage de glace est pratiqué depuis près d’un siècle. Mais de nouveaux types de générateurs d’eau glacée et de nouvelles conditions de production d’énergie lui ouvrent de nouveaux marchés.

La technologie du stockage de glace a peu évolué depuis plusieurs dizaines d’années. Ce qui a changé à travers le monde, c’est le prix de l’énergie utilisée pour la climatisation, ainsi que sa disponibilité à certaines heures durant certains jours de l’année.

Le stockage de glace vise, avant tout, à modérer les coûts d’exploitation dans une production d’eau glacée. Il y parvient en déplaçant dans le temps les consommations d’énergie liées à la climatisation.
Premièrement, on s’efforce de produire de la glace à l’aide de groupes d’eau glacée, au moment où l’énergie est la moins chère, ou la plus abondante. La glace est accumulée dans un stockage.
Deuxièmement, durant les périodes où l’énergie est la plus coûteuse ou bien la moins disponible, le stockage de glace est peu à peu déchargé pour produire l’eau glacée dont l’installation a besoin. Le dimensionnement possible du stockage de glace va de la « couverture totale » - les groupes froids sont stoppés et le stockage couvre seul la totalité des besoins durant les heures où l’énergie est la plus chère - au régime dit « chiller prioritaire » : les groupes froids fonctionnent en permanence, la nuit pour remplir le stockage, le jour pour couvrir les besoins de base de l’installation. Le stockage assurant la couverture des besoins au-delà de la puissance des groupes, notamment la pointe des appels de climatisation.
Il n’existe pas de limite technique à la puissance que l’on peut accumuler dans un stockage de glace, seulement des limites économiques, notamment la durée durant laquelle l’énergie peu onéreuse est disponible, ainsi que des limites de place disponible. On rencontre d’ailleurs des applications de stockage de glace aussi bien pour des bâtiments tertiaires, que pour des réseaux urbains de distribution d’eau glacée. Le réseau urbain Climespace à Paris dispose, par exemple, de trois stockages : 13 bassins d’eau glacée au dernier niveau d’un parking à Latour-Maubourg, soit 12 000 m3 d’eau à 3 °C, ce qui représente 90 MWh ; un stockage de glace de 320 m3 à l’Opéra, soit 20 MWh et un second stockage de glace de 30 MWh aux Halles.

Réduction des groupes froids

Quelle que soit sa configuration d’emploi et au-delà de l’aspect du déplacement dans le temps des consommations d’énergie, un stockage de glace apporte plusieurs avantages supplémentaires.
En effet, une installation de climatisation traditionnelle est dimensionnée pour faire face aux besoins les plus importants, qui n’interviennent que quelques jours dans l’année. Le stockage de glace permet une réduction importante de la puissance des groupes froids installés : de 30 à 70 % selon le dimensionnement du stockage. Ce qui réduit de manière proportionnelle, la quantité de réfrigérant employée, donc les sujétions d’inspection et d’entretien que les réglementations européennes et nationales ne cessent, à juste titre, de renforcer.
Dans le contexte particulier de la réglementation française, les installations de compression ou de réfrigération, dont la puissance absorbée est supérieure à 500 kW, sont soumises à autorisation préalable « par référence à la rubrique n° 2920 (art. 2 - a) de la nomenclature des installations classées pour la protection de l’environnement ». Le préfet est obligé de les soumettre à enquête publique : tout le monde sait ce que cela signifie en termes de délais et de risque de refus final. Si une installation dépasse les 500 kW fatidiques, autant la limiter à 450 kW et mettre en œuvre un stockage de glace qui se chargera du complément.
Le stockage de glace réduit aussi le dimensionnement des autres composants de l’installation de climatisation : tours de refroidissement ou aéroréfrigérants et les émissions sonores liées à leurs ventilateurs, ouvrages de raccordement électrique, protections électriques et puissance électrique souscrite...
Un stockage contribue également à améliorer le rendement d’exploitation saisonnier des groupes d’eau glacée. En effet, toutes les technologies de groupes n’offrent pas leur meilleur rendement dans les mêmes conditions de fonctionnement. Certains groupes atteignent leur meilleur rendement à charge partielle : autant les consacrer à l’ajustement des besoins variables d’une installation de climatisation alimentée directement. Tandis que d’autres fonctionnent mieux à puissance nominale : par exemple pour charger le stockage de glace qui nécessite toujours la même puissance et la même température.

Deux nouveaux emplois annoncés

L’emploi le plus connu du stockage de glace est celui du déplacement de la pointe de consommation d’électricité dans un bâtiment climatisé.
Si la climatisation est produite directement par des groupes d’eau glacée, elle fonctionne à sa plus forte puissance durant les heures de fin d’après-midi des jours les plus chauds. Ce qui, en France, correspond aussi aux heures de pointe d’été, durant lesquelles l’électricité est la plus coûteuse. Dans ce cas, le but du stockage est principalement économique. Il s’agit de réduire les consommations d’électricité de la climatisation durant les heures de pointe tarifaires, en arrêtant tout ou partie des groupes de production d’eau glacée, et en faisant appel à un stockage de glace pour le complément. Le chargement du stockage s’effectue de nuit, durant les heures creuses des tarifs d’électricité. L’influence financière du stockage de glace joue sur deux plans : réduction de la puissance souscrite en heures de pointe, donc du coût de l’abonnement, diminution des consommations d’électricité durant les heures de pointe. Cet emploi représente aujourd’hui la totalité des installations en service en France. Deux autres emplois se profilent cependant, liés au développement des énergies renouvelables, notamment du solaire.
Premièrement, l’utilisation locale d’une production d’électricité photovoltaïque. Aujourd’hui, il est encore intéressant de vendre au réseau la totalité de la production d’électricité photovoltaïque d’un bâtiment. Cet intérêt financier diminue cependant de trimestre en trimestre, au fur et à mesure que le gouvernement réduit les prix de rachat et ajoute des contraintes techniques.
Par ailleurs, comme le prix de l’électricité augmente, nous approchons doucement du régime de la parité réseau : le moment où l’électricité photovoltaïque produite localement et celle que l’on achète au réseau seront sensiblement au même prix. De plus, il n’est pas exclu qu’une étape intermédiaire de la RT, vers 2015 par exemple, demande pour les bâtiments tertiaires une proportion minimale d’emploi d’énergies renouvelables, comme c’est déjà le cas pour la maison individuelle. Enfin, gardons à l’esprit que dans le cadre de la RT 2020 et dès à présent dans le cadre du Label Bosnie-Herzégovine qui la préfigure, il faudra que les bâtiments neufs soient « à énergie positive ».
Aussi, les fournisseurs de solutions de stockage de glace - en France, il s’agit avant tout de Cristopia du groupe Ciat, de Fafco et de Baltimore Aircoil - commencent à être interrogés par des Bureaux d’études thermiques, à propos de configurations techniques de stockage de glace liées à une production photovoltaïque locale. L’électricité photovoltaïque n’est plus revendue, mais utilisée durant la journée pour couvrir les besoins en énergie électrique de la climatisation et du stockage de glace. Le stockage assure un rafraîchissement de nuit, voire un « sur-rafraîchissement nocturne », et couvre les pointes de demande dans la journée.
Deuxièmement, le développement simultané de machines à absorption Robur au bromure de lithium, capables de produire de l’eau glacée à - 20 °C, et de capteurs solaires thermiques haute température, ouvrent un autre emploi du stockage de glace. Ces capteurs solaires sous vide ou sur concentrateurs sont en mesure d’assurer un débit de fluide à plus de 250 °C, suffisant pour amorcer et soutenir la réaction d’absorption dans les machines Robur. Robur propose des machines de 50 kW froid de puissance nominale et une cascade de cinq machines, soit 250 kW froid. Dans une telle configuration de froid solaire, le stockage de glace est chargé de couvrir les besoins, lorsque les machines à absorption ne fonctionnent plus : début de matinée, fin d’après-midi et nuit. Plusieurs ensembliers ont annoncé qu’ils exposeraient des solutions de ce type clés en main, lors du prochain salon Intersolar 2013 en juin à Munich.

Trois techniques disponibles

Entre les groupes froids et le stockage de glace, il faut faire appel à un fluide caloporteur capable de demeurer liquide, tout en congelant l’eau du stockage de glace. La solution la plus fréquente est l’eau glycolée à raison de 25 % d’éthylène glycol par kilogramme de solution. Pour maintenir le rendement de l’installation, tous les composants de ce circuit doivent être sélectionnés en tenant compte des propriétés physiques de l’eau glycolée : viscosité plus élevée et chaleur sensible plus faible que celles de l’eau, notamment.
Sur le marché, on trouve à la fois des solutions de stockage de froid dans de la glace, dans de l’eau glacée ou dans des nodules spécifiques. À quantité d’énergie stockée équivalente, un stockage sous forme d’eau glacée requiert un volume 80 fois plus important qu’un stockage sous forme de glace. En effet, un stockage en eau glacée fait appel à la chaleur sensible de l’eau : 4,18 kJ/kg.K. Le stockage sous forme de glace repose sur la chaleur latente de l’eau lors de son changement d’état : 335 kJ/kg.K.
Le stockage de glace est le plus souvent réalisé sous forme de « bac à glace » : des canalisations d’eau glycolée sont distribuées à différents niveaux dans un réservoir empli d’eau, de manière à geler, puis à dégeler la totalité du réservoir. Cristopia, du groupe Ciat, utilise pour sa part des nodules sphériques partiellement emplis d’un Matériau à changement de phase (MCP), dont la composition précise est un secret de fabrication. Ces nodules sont chargés dans des cuves. Cristopia est cependant capable de proposer des nodules dont les températures de changement d’état varient de - 33 à 27 °C. Ce qui répond à toutes sortes de besoins, depuis la climatisation jusqu’aux process industriels à température négative et représente une chaleur latente de 39,3 à 49,9 kWh/m3, selon les nodules.

N°324

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