FR2981736A1 - Dispositif de stockage d'energie sous forme de chaleur sensible, systeme et procede de mise en oeuvre. - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un dispositif de stockage d'énergie sous forme de chaleur sensible, comprenant : . une enceinte étanche comprenant une entrée et une sortie de fluide caloporteur ; . un médium de stockage d'énergie disposé dans l'enceinte étanche ; . une pompe à vide en communication fluidique avec l'enceinte.

Description

DISPOSITIF DE STOCKAGE D'ENERGIE SOUS FORME DE CHALEUR SENSIBLE, SYSTEME ET PROCEDE DE MISE EN OEUVRE. L'invention se rapporte à un dispositif de stockage d'énergie sous forme de chaleur sensible, à un système et à un procédé de mise en oeuvre. Le problème majeur qui limite l'utilisation de l'énergie thermique solaire, notamment pour le chauffage des bâtiments, est son stockage. Le déphasage entre les apports de chaleur maximum en été et les besoins de chauffage maximum en hiver nécessite en effet un stockage inter- saisonnier de capacité thermique importante, avec des pertes aussi faibles que possible. En supposant même que l'on accroisse la surface de capteurs solaires thermiques pour assurer une proportion plus importante -voire l'intégralité- du chauffage des bâtiments en hiver, le problème de surchauffe l'été se poserait alors de manière critique, le stockage constituant de toute façon une étape quasi-indispensable pour évacuer et récupérer ce surplus de calories. La solution actuelle est généralement le chauffage d'une piscine. Mais chauffer une piscine en plein été n'est pas forcément judicieux, en particulier dans certains pays « chauds ». Par contre, stocker les calories pendant un mois ou deux pour les restituer à la piscine en octobre ou novembre peut s'avérer nettement plus intéressant. La chaleur peut être stockée selon quatre principes physiques : - La chaleur sensible : le stockage est basé sur l'élévation de la température du médium. C'est le cas de la pierre, de l'eau, etc. On peut aussi citer les sols, le béton, les nappes aquifères pour le stockage inter- saisonnier. Des matériaux denses à forte capacité calorifique massique sont requis pour limiter le volume de stockage. Les avantages de la chaleur sensible sont le faible coût du médium, la fiabilité dans le temps des éléments constitutifs du médium et la relative maturité des technologies mises en oeuvre. L'inconvénient majeur par rapport aux types de chaleur décrits ci- après est la faible densité volumique de stockage avec comme corollaire la nécessité de volumes de stockage importants. Des réalisations pratiques basées sur le stockage inter-saisonnier d'énergie solaire fonctionnent en Suisse, en Allemagne, au Canada, aux États-Unis, essentiellement pour le chauffage d'habitations collectives compte-tenu des volumes de stockage nécessaires. - La chaleur latente (Matériaux à Changement de Phase ou MCP ou PCM en anglais). Le stockage est basé sur l'énergie absorbée par un changement de phase à température constante. Les transformations glace-eau à 0°C et eau-vapeur à 100°C constituent les exemples les plus connus, même si pour le stockage inter-saisonnier, des changements de phase aux alentours de 20°-30°C sont préférables (cas de la paraffine, des sels hydratés). Le stockage par chaleur latente offre une densité volumique de stockage d'énergie environ 5 à 10 fois plus importante que celui par chaleur sensible, donc une potentialité de diviser les volumes dans les mêmes proportions. Par contre, hormis l'eau dont la transformation glace-eau peut être utilisée en climatisation dans les pays nordiques l'été, les PCM sont beaucoup plus onéreux et souvent beaucoup moins fiables dans le temps. Il est à noter néanmoins que la majorité des recherches effectuées actuellement dans le domaine du stockage de l'énergie thermique solaire concernent de nouveaux PCM. Il s'agit pour l'instant essentiellement de travaux de laboratoires, même si quelques prototypes ont été testés dans des conditions réelles, notamment en Espagne. - La chaleur de sorption : le stockage est basé sur la désorption endothermique d'un gaz, généralement de la vapeur d'eau, à partir d'un solide : solide/gaz sorbé + chaleur <-> solide + gaz désorbé Les zéolithes et les gels de silice sont les principaux matériaux de base du médium. L'intérêt des systèmes à chaleur de sorption est leur densité volumique de stockage d'énergie encore accrue par rapport à la chaleur latente. Mais les matériaux sont plus onéreux et les recherches seulement au stade laboratoire. - La chaleur de réaction chimique : le stockage est basé sur une réaction chimique endothermique entre deux solides. En supposant la réaction réversible, la chaleur est libérée par la réaction inverse. Très prometteuses sur le plan de la densité de stockage, les recherches dans ce domaine n'en sont qu'à un stade de balbutiement. De nombreux travaux ont été entrepris depuis plusieurs années pour augmenter la capacité de stockage, que ce soit par l'importance du volume (citernes, bassins, sols, sondes, nappes aquifères pouvant aller jusqu'à plusieurs dizaines de milliers de m3), ou par l'accroissement de la densité d'énergie emmagasinée par le médium (systèmes à chaleur latente, à chaleur de sorption, à chaleur de réaction chimique, avec une densité volumique d'énergie stockée 10 à 100 fois supérieure à celle produite par simple élévation de température du médium dans les systèmes à chaleur sensible).

L'augmentation de la capacité de stockage par augmentation de volume du médium induit généralement une diminution du rapport surface/volume, qui réduit en proportion les pertes thermiques. En effet, la capacité de stockage est proportionnelle au volume et les pertes sont proportionnelles à la surface (en première approximation). Par exemple, un médium sphérique de 1000 m3 a une capacité de stockage mille fois supérieure à un médium de 1 m3 mais ne perd que cent fois plus de chaleur. Le médium de 1000 m3 a donc proportionnellement 10 fois moins de pertes que celui de 1 m3. Si l'on considère un chauffe-eau électrique de 1 m3 rempli d'eau à 80°C et que l'on coupe l'alimentation, le temps pendant lequel il est possible de récupérer de l'eau à plus de 30°C est de l'ordre d'une dizaine de jours. Pour obtenir la même chute de température au bout de six mois et non plus dix jours, le volume d'eau nécessaire devrait être de l'ordre de 6000m3. Pour un stockage de seulement dix semaines ne conduisant qu'au début de l'hiver, le volume requis serait tout de même de 300m3. C'est pour cette raison 30 que les volumes mis en jeu dans le stockage inter-saisonnier par chaleur sensible sont toujours considérables, et ne sont en principe concevables que pour des habitations collectives. En outre, il ne sert à rien d'avoir un médium de grande capacité de stockage d'énergie thermique si les possibilités d'échange avec le fluide caloporteur (en général eau ou air) ne permettent pas d'extraire suffisamment rapidement les calories du médium pour satisfaire au maintien du bâtiment à la température requise. Le médium doit en conséquence avoir une surface d'échange importante avec le fluide caloporteur. D'où l'utilisation de lits compacts (packed beds) de matériaux pour le stockage d'énergie 10 thermique. Des lits constitués d'empilements compacts de sphères sont d'ailleurs déjà utilisés en stockage thermique industriel haute température. L'autre méthode classique pour réduire les pertes thermiques, est basée sur l'isolation de l'enceinte contenant le médium de stockage. Néanmoins ces deux méthodes (augmentation de volume de 15 stockage et augmentation de l'isolation) ne sont pas toujours compatibles. En général, la qualité de l'isolation est d'autant plus problématique que le volume est important. En effet, plus le volume de l'enceinte est important, plus l'isolation de l'enceinte est complexe à mettre en oeuvre et risque d'être altérée : les enceintes classiquement utilisées sont le plus souvent enterrées, 20 de sorte que leur isolation subit les assauts de l'eau de ruissellement, des éléments chimiques du sol et des mouvements du terrain. Un des objectifs de la présente invention est de pallier les difficultés précédemment décrites en proposant un procédé permettant d'obtenir des temps de stockage de plusieurs mois pour des volumes de 25 seulement l'ordre du m3. La présente invention vise donc à proposer un procédé permettant de réduire les pertes thermiques assujetties à la surface de medium utilisée, afin de diminuer le volume de stockage nécessaire pour pouvoir envisager le stockage inter-saisonnier pour des habitations 30 individuelles.

Le procédé est basé sur une diminution des pertes thermiques du médium lui-même durant la phase de stockage, tout en conservant de bons échanges thermiques entre celui-ci et le fluide caloporteur lors des phases de charge (accumulation de chaleur par le médium) et de décharge (restitution de chaleur par le médium). Afin de répondre aux exigences économiques et environnementales actuelles, l'invention vise à proposer un dispositif de stockage économique, stable à long terme (durée supérieure à 10-20 ans), dont le medium de stockage présente un coefficient d'échange thermique optimal avec le fluide caloporteur, et possède une toxicité et des risques d'incendie minimaux. Pour remédier aux inconvénients des solutions connues, la présente invention propose une isolation du médium de stockage lui-même, et non de l'enceinte de stockage.

A cette fin, l'invention a pour objet un dispositif de stockage d'énergie sous forme de chaleur sensible comprenant : - une enceinte étanche comprenant une entrée et une sortie de fluide caloporteur ; - un médium de stockage d'énergie disposé dans l'enceinte étanche ; - une pompe à vide en communication fluidique avec l'enceinte. Selon d'autres modes de réalisation : - le médium de stockage peut être sous forme de particules, avantageusement des sphères ; et/ou - les sphères peuvent être agencées selon un lit compact et en un empilement cubique centré, un empilement cubique faces centrées, un empilement hexagonal compact ou un empilement aléatoire. L'invention se rapporte également à un système de stockage d'énergie sous forme de chaleur sensible comprenant : - au moins un dispositif précédent selon l'invention ; - un moyen de chauffage d'un fluide caloporteur ; - un circuit de fluide caloporteur reliant, avantageusement en boucle fermée, le moyen de chauffage au dispositif de stockage d'énergie ; - un moyen de mise en circulation du fluide dans le circuit ; - une unité centrale de gestion du moyen de mise en circulation du fluide et de la pompe à vide.

Selon d'autres modes de réalisation : - le circuit reliant le moyen de chauffage au dispositif de stockage d'énergie peut être en boucle fermée ; - le système peut comprendre, en outre, un moyen d'utilisation de l'énergie stockée sous forme de chaleur sensible, en communication fluidique avec le dispositif de stockage d'énergie, avantageusement en boucle fermée ; - le moyen d'utilisation de l'énergie peut également être en communication fluidique, avantageusement en boucle fermée, avec le moyen de chauffage du fluide caloporteur ; et/ou - le système peut comprendre : une pluralité de dispositifs précédents selon l'invention agencés en parallèle entre le moyen de chauffage du fluide caloporteur et le moyen d'utilisation de l'énergie ; - au moins une vanne multivoies agencée entre le moyen de chauffage du fluide caloporteur et la pluralité de dispositifs de stockage d'énergie ; et au moins une vanne multivoies agencée entre la pluralité de dispositifs de stockage d'énergie et le moyen d'utilisation de l'énergie.

L'invention se rapporte également à un procédé de stockage d'énergie sous forme de chaleur sensible susceptible d'être mis en oeuvre avec le dispositif précédent selon l'invention, comprenant les étapes suivantes : - faire circuler un fluide chaud au contact du médium de stockage d'énergie disposé dans l'enceinte étanche, jusqu'à ce que le médium atteigne une température dite de stockage ; - vider le fluide caloporteur de l'enceinte en générant une dépression dans l'enceinte avec la pompe à vide. L'invention se rapporte également à un procédé de stockage de frigories sous forme de chaleur sensible extraite du médium, susceptible d'être mis en oeuvre avec le dispositif précédent selon l'invention, comprenant les étapes suivantes : - faire circuler un fluide froid au contact du médium de stockage d'énergie disposé dans l'enceinte étanche, jusqu'à ce que le médium atteigne une température dite de stockage ; - vider le fluide caloporteur de l'enceinte en générant une dépression dans l'enceinte avec la pompe à vide. Ce procédé, dont l'utilisation peut être soit complémentaire, soit alternative aux solutions précédentes -à savoir l'augmentation du volume du médium de stockage et l'amélioration de l'isolation thermique de l'enceinte contenant le médium-, facilite considérablement le stockage inter-saisonnier de l'énergie thermique. Outre cette application de stockage longue durée à basse température (c'est-à-dire inférieure à 100-150°C), le procédé est aussi applicable au stockage d'énergie thermique industrielle (y compris celle de centrales solaires) à températures plus élevées pendant des durées plus 25 courtes. D'autres caractéristiques de l'invention seront énoncées dans la description détaillée ci-après faite en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - la figure 1, une vue schématique en plan d'un premier mode de 30 réalisation d'un système de stockage d'énergie selon l'invention ; - la figure 2, une représentation schématique des étapes du procédé selon l'invention ; - la figure 3, une courbe illustrant la conductivité thermique en fonction de la dépression exercée dans l'enceinte de stockage ; et - la figure 4, une vue schématique en plan d'un deuxième mode de réalisation d'un système de stockage d'énergie selon l'invention présentant une pluralité de dispositifs de stockage en parallèle. La figure 1 illustre un premier mode de réalisation d'un système 100 de stockage d'énergie sous forme de chaleur sensible selon l'invention. Ce système comprend : - un dispositif 10 de stockage d'énergie sous forme de chaleur sensible ; - un moyen de chauffage 20 d'un fluide caloporteur, tel que de l'air, ou autre , - un circuit 30 de fluide caloporteur reliant le moyen de chauffage 20 au dispositif de stockage d'énergie 10 ; Avantageusement, le moyen de chauffage 20 et le dispositif de stockage 10 sont reliés en boucle fermée, c'est-à-dire que le fluide repart vers le moyen de chauffage 20 après avoir circulé dans le dispositif de stockage 10. - un moyen de mise en circulation du fluide dans le circuit 30 (non illustré) ; - une unité centrale (non représentée) de gestion du moyen de mise en circulation du fluide et d'une pompe à vide 40. Plus particulièrement, le dispositif de stockage d'énergie selon l'invention comprend : - une enceinte étanche 11 comprenant deux entrée-sorties 12 et 13 de fluide caloporteur ; - un médium 14 de stockage d'énergie disposé dans l'enceinte étanche 11 ; - une pompe à vide 40 en communication fluidique avec l'enceinte 11 par l'intermédiaire d'une vanne de coupure 41.

Le médium de stockage de préférence est sous forme de particules, avantageusement des sphères de même diamètre. De préférence, les sphères sont agencées selon un lit compact et en un empilement cubique centré, cubique faces centrées ou hexagonal compact. En pratique, lorsque les sphères sont simplement déversées dans l'enceinte 11 lors du remplissage, l'empilement qui est constitué par parties des empilements précédents, est dit aléatoire. Le moyen de chauffage 20 du fluide peut être un échangeur de chaleur en provenance d'un appareil produisant de la chaleur, tel qu'un capteur solaire à eau ou à air, ou tout autre dispositif permettant de chauffer le fluide caloporteur. La circulation du fluide dans le circuit est générée par un moyen de mise en circulation, tel qu'un système de pompage du fluide. Le circuit 30 comprend avantageusement des vannes multivoies 31 pour permettre une grande polyvalence dans le sens de circulation du fluide et sa répartition. Cette circulation (sens et vitesse de circulation) est contrôlée par l'unité centrale, avantageusement en fonction de données reçues de la part de capteurs de température (non illustrés) situés dans l'enceinte étanche 11 (par exemple au niveau des entrée-sorties 12 et 13 et dans le circuit 30.

L'unité centrale contrôle également l'activation de la pompe à vide 40 et l'ouverture de la vanne de coupure 41 lorsque le médium 14 arrive à une température de consigne prédéterminée, dite température de stockage. Ainsi, en fin de charge de chaleur dans le dispositif de stockage, les vannes multivoies 31 isolent l'enceinte 11 du circuit 30 puis la pompe à vide 40 crée une dépression dans l'enceinte 11. Cette dépression signifie que la pression à l'intérieur de l'enceinte est inférieure à la pression atmosphérique. Selon l'invention, cette dépression aboutit à une pression avantageusement comprise entre 1 et 100 Pascals (Pa), soit entre 10-2 et 1 millibar (mbar) au sein de l'enceinte étanche 11.

Le système de stockage d'énergie 100 selon l'invention, comprend, en outre, un moyen d'utilisation 50 de l'énergie stockée sous forme de chaleur sensible, en communication fluidique avec le dispositif de stockage d'énergie 10. Cette communication fluidique est avantageusement en boucle fermée, c'est-à-dire que le fluide ayant circulé dans le moyen d'utilisation 50 est retourné vers le dispositif de stockage 10, jusqu'à épuisement des calories à prélever. Alternativement ou en combinaison, il est possible de prévoir des circuits de dérivations (non illustrés) permettant au fluide caloporteur de circuler entre le moyen de chauffage 20 et le moyen d'utilisation 50 sans passer par le dispositif de stockage d'énergie 10. Le moyen d'utilisation peut être un échangeur de chaleur pour chauffer de l'eau de chauffage et/ou sanitaire ou de l'air de chauffage, ou directement le bâtiment à chauffer.

Ainsi, le procédé selon l'invention comprend les étapes suivantes, illustrées à la figure 2 : - à l'étape A, dite phase de charge, on fait circuler un fluide chaud au contact du médium de stockage d'énergie disposé dans l'enceinte étanche, jusqu'à ce que le médium atteigne la température de consigne prédéterminée (température de stockage) ; - à l'étape B, on vide le fluide caloporteur de l'enceinte en générant une dépression dans l'enceinte avec la pompe à vide ; - une fois la dépression souhaitée obtenue, on ferme, à l'étape C, dite phase de stockage, l'enceinte hermétiquement pendant le temps du stockage ; - à l'étape D, dite phase de décharge, lors de l'utilisation de la chaleur stockée, on fait circuler un fluide caloporteur au contact du médium pour prélever la chaleur, et on dirige ce fluide vers le moyen d'utilisation 50.

Ainsi, selon le procédé selon l'invention, le fluide caloporteur (généralement de l'air) présent dans le lit à la fin de la phase de charge (accumulation de chaleur) est évacué pour la phase de stockage-par pompage de l'enceinte, jusqu'à obtention d'une pression résiduelle inférieure à une valeur seuil prédéterminée. Grâce à cette étape de l'invention, les pertes thermiques par échanges convectifs et conductifs entre le médium de stockage et le fluide caloporteur, sont réduites de manière drastique pendant la phase de stockage. La figure 3 représente une courbe F illustrant la conductivité thermique effective d'un lit de sphères en fonction de la pression en air dans l'enceinte. La conductivité thermique effective regroupe tous les termes 10 d'échange thermique de conduction, convexion et rayonnement. Cette courbe présente trois parties : une partie gauche Zcr asymptotique (Zone de conductivité résiduelle) correspondant aux basses pressions, une partie droite Zrc également asymptotique (Zone de régime continu) correspondant aux pressions les plus élevées et incluant la pression 15 atmosphérique, et une partie centrale linéaire joignant les deux parties asymptotiques. La partie gauche (Zcr) et la partie centrale de la courbe constituent la Zone de régime moléculaire Zrm. Suivant la nature des sphères (métal, verre, céramique) et 20 suivant leur diamètre (de 50pm à 3mm), ces courbes peuvent se décaler, mais dans la limite de la zone hachurée. La valeur asymptotique aux basses pressions (partie gauche de la courbe) correspond à la seule conductivité résiduelle entre les sphères (conduction solide-solide), tous les autres termes d'échanges (conduction gaz, 25 conduction gaz-solide, convexion et rayonnement) étant négligeables. La conductivité résiduelle est directement proportionnelle aux deux paramètres suivants : - la conductivité du matériau constituant les particules : plus cette conductivité est élevée, plus la conductivité résiduelle est élevée, 30 - la surface de contact entre les particules : moins le matériau constituant les particules est dur et plus celles-ci ont tendance à s'aplatir sous l'effet du poids des particules situées dans les parties supérieures du lit. L'aplatissement des particules ainsi que l'irrégularité des surfaces augmentent la surface de contact entre les particules et par conséquent la conductivité résiduelle du lit.

La position de l'asymptote est indépendante de la nature du gaz, puisque tous les échanges impliquant le gaz sont négligeables par rapport à la conduction solide-solide. Cette asymptote indique également qu'il est inutile de diminuer davantage la pression du gaz pour diminuer la conductivité du lit lorsque l'asymptote est atteinte. Par exemple, pour le lit représenté par la courbe noire, il est inutile de descendre à des pressions inférieures à 104 mbar. Pour un gaz donné, la position de l'asymptote aux pressions élevées (partie droite de la courbe) dépend très peu de la conductivité du matériau constituant les particules, pour peu que celle-ci soit au moins 40 fois supérieure à celle du gaz, et très peu du diamètre des particules. Le fait que la conductivité effective diminue très peu avec la pression du gaz dans cette partie Zrc provient de ce que le gaz est en « régime continu ». Dans ce régime, la conductivité du gaz est pratiquement indépendante de la pression (la conductivité du gaz dépend certes de la 20 densité de molécules gazeuses qui diminue avec la pression, mais aussi de leur libre parcours moyen qui, lui, augmente corrélativement). Pour diminuer la conductivité effective du lit avec la pression du gaz, il faut que ce dernier ne soit plus en régime continu, mais en régime moléculaire (zone Zrm). Lorsqu'un gaz est confiné entre deux parois solides 25 parallèles de température différente, le passage du régime continu au régime moléculaire se produit lorsque le libre parcours moyen des molécules devient sensiblement supérieur à la distance entre les parois. Il n'existe alors plus de gradient de température entre les deux parois et la conductivité thermique diminue à peu près linéairement avec la pression. Dans le cas du lit, les parois 30 solides sont les surfaces des sphères en regard dans les espaces interstitiels de l'empilement compact. La distance moyenne entre ces surfaces dépend donc du diamètre des sphères. Plus les sphères sont petites et plus le régime moléculaire est atteint rapidement en descendant en pression. On pourrait croire qu'une pression aussi basse que 1 Pa soit nécessaire pour passer en régime moléculaire avec des sphères de 2 à 3 mm 5 de diamètre puisque le libre parcours moyen des molécules gazeuses constituant l'air est de 6,8mm à cette pression. Contre toute attente, la Demanderesse s'est aperçue que la pression permettant d'obtenir un stockage de longue durée est supérieure à la pression estimée pour que le libre parcours moyen soit supérieur à la 10 distance moyenne entre les surfaces en regard des sphères, en supposant cette distance du même ordre de grandeur que le diamètre des sphères. Ainsi, à titre d'exemple, le libre parcours moyen des molécules gazeuses dans l'air est de 6,8 cm sous une pression de 0,1 Pa (10-3mbar) et de 6,8 mm sous une pression de 1 Pa (10-2mbar). Donc pour limiter les échanges 15 thermiques conformément au procédé selon l'invention, avec un lit de sphères de 3 mm de diamètre, la pression devrait être inférieure à 2 Pa (2.10-2 mbar) pour que le libre parcours moyen soit supérieur à la distance entre les sphères. Or l'expérience montre que le régime moléculaire commence à 20 apparaître dès 100 Pa et que les conductivités résiduelles sont pratiquement atteintes dès 1 Pa. Cet effet inattendu de la combinaison selon l'invention d'une dépression avec l'utilisation d'un lit compact de sphères permet donc un stockage de chaleur sensible de longue durée, dans un volume réduit, avec 25 une installation économique, puisque la dépression nécessaire est relativement faible et que la pompe et l'enceinte n'ont pas besoin d'être conçues pour un vide poussé. Un vide primaire (pression résiduelle généralement comprise entre 10"l et10-3 mbar) permet de réduire d'au moins un facteur 10 les pertes 30 thermiques du lit. En conséquence, l'invention apporte une amélioration importante pour les stockages de chaleur.

L'invention montre qu'un léger vide primaire (de l'ordre de 10- lmbar) suffit à abaisser la conductivité des lits au niveau de celle de l'air, soit environ 20 fois moins que celle de l'eau. Considérons un lit de sphères en verre empilées de manière aléatoire dans un cylindre de 1,084m de diamètre et de hauteur, soit un volume de 1m3. La capacité calorifique volumique du verre étant de 1,65 MJ/m3 et le lit ayant une compacité de 0,60 (due à l'empilement aléatoire des sphères), sa capacité de stockage est égale à 0,99 MJ, soit celle équivalente à 237 litres d'eau (4,18MJ/m3 x 0,237m3 = 0,99MJ). C'est approximativement le contenu d'un chauffe-eau de 250 litres. Si on considère qu'un tel chauffe-eau met environ une semaine pour passer de 80 à 30°C, on peut raisonnablement penser que le même refroidissement prendra plusieurs mois avec le lit de sphères de 1m3, compte tenu de la multiplication par 20 de la résistivité thermique du médium de stockage. Ce résultat permet d'envisager favorablement le stockage inter- saisonnier de l'énergie thermique pour les logements individuels et notamment l'absorption de la surchauffe des capteurs solaires en été. Le volume total de stockage devrait pouvoir rester de l'ordre de la centaine de m3. Avantageusement, comme illustré en figure 4, l'invention 20 prévoit des modules (avantageusement de l'ordre du m3) connectés en parallèle. Un premier module est chargé, puis mis sous vide en fin de charge, puis le module voisin est chargé, mis sous vide et ainsi de suite. Ces modules, par exemple chauffés par des capteurs solaires (à air ou à eau avec échangeur eau/air) peuvent être situés dans l'entresol de 25 l'habitation sans provoquer de surchauffe en été, compte tenu des pertes thermiques réduites. Au cours de l'utilisation (phase de décharge), le processus de décharge est également effectué module après module. Le stockage de calories l'été pour le chauffage l'hiver a été décrit précédemment. Mais il est tout aussi bien envisageable, conformément 30 à l'invention, de stocker des frigories l'hiver pour la climatisation l'été.

Le dispositif multi-modules de la figure 4 peut d'ailleurs être utilisé simultanément l'hiver pour d'une part fournir de la chaleur au bâtiment avec les modules conservés sous vide et d'autre part stocker des frigories dans les modules « déchargés » ayant déjà échangé leurs calories avec le bâtiment en fin d'automne. L'utilisation du même dispositif pour le chauffage et la réfrigération, implique néanmoins la séparation des circuits de froid et de chaud (non illustré sur la figure 4) qui doivent fonctionner simultanément l'hiver ainsi qu'une bonne gestion des modules, de manière à éloigner le plus possible les modules chargés en calories de ceux chargés en frigories. Le choix du matériau constitutif du médium, de sa structure et du diamètre des sphères permet d'optimiser le rendement énergétique du procédé et du système selon l'invention. En effet, plus ce matériau se rapproche d'un corps « blanc » au sens thermique du terme (inverse du corps noir), plus les pertes radiatives sont limitées. Si ce n'est pas le cas, les pertes radiatives peuvent néanmoins être fortement réduites grâce à une surface intérieure réfléchissante de l'enceinte 11. En outre, le matériau doit présenter une densité volumique maximale de chaleur stockable : des matériaux denses à forte capacité calorifique sont requis. De plus, le matériau doit présenter un coefficient d'échange thermique favorable avec le fluide caloporteur pour permettre d'extraire suffisamment rapidement les calories du médium vers le fluide caloporteur et réciproquement. Outre le matériau, il est possible d'optimiser ce paramètre d'échange thermique en utilisant un médium sous forme particulaire et, de préférence, sous forme de sphères. On optimise ainsi la surface d'échange avec le fluide caloporteur. Le médium doit également être économique, dépourvu de toxicité et avoir une stabilité à long terme supérieure à 10-20 ans. On choisit avantageusement des galets, du béton, des gravillons, des pierres, des céramiques, du verre, etc.

En utilisant un matériau présentant une dureté élevée, on s'aperçoit que la durée du stockage est améliorée. En effet, plus les contacts entre les particules de médium (avantageusement des sphères) sont ponctuels, plus la résistance thermique solide-solide est élevée et moins le lit présente de pertes thermiques par conduction. Les matériaux préférés pour la mise en oeuvre de l'invention sont le verre, les céramiques ou l'amiante vitrifiée. Les verres ont une dureté parmi les plus élevées sur l'échelle de Brinell (550HB pour le verre, à comparer à 250HB pour l'acier inox, 15HB pour l'aluminium et 650HB pour les aciers à outil). Leur état de surface est excellent (surfaces lisses), leur conductivité de l'ordre du W/m.K correspond aux critères requis. Leur stabilité dans le temps est de l'ordre de plusieurs siècles, contrairement aux métaux qui pour la plupart s'oxydent. Les verres ne présentent aucune agressivité pour l'environnement et en dernier lieu, leur coût est modique. La capacité calorifique des verres n'est néanmoins pas très élevée :1,8 MJ/m3 K à comparer à environ 2,5 MJ/m3 K pour le bétons, 3,0 MJ/m3 K pour les céramiques et 3,6 MJ/m3 K pour les aciers.

Un autre matériau peut améliorer le stockage d'énergie grâce à sa plus forte capacité calorifique : l'amiante vitrifiée (déchets d'amiante qui ne présentent plus aucune nocivité après vitrification). En effet, sa capacité calorifique est de 2,7 MJ/m3 K. Ce matériau est, en outre, très économique et les 250 000 tonnes produites annuellement en France par traitement des produits amiantés seraient valorisées. L'empilement compact de sphères offre le meilleur compromis entre une densité volumique maximale de chaleur stockable et un coefficient d'échange favorable avec le fluide caloporteur. Il existe classiquement quatre types d'empilements compacts idéaux de sphères identiques : - cubique simple : toutes les sphères ont des contacts tangentiels et leurs centres sont situés sur les sommets des cubes constituant le réseau tridimensionnel. La fraction volumique occupée par les sphères, c'est-à-dire la compacité du lit est de 0,52. - cubique centré : les centres des sphères sont situés sur les sommets et aux centres des cubes. Les sphères d'une face d'un cube sont tangentes avec celle du centre, mais ne le sont pas entre elles. La compacité du lit est de 0,68. - cubique faces centrées : toutes les sphères sont tangentes et leurs centres sont situés sur les sommets et aux centres des faces des cubes. La compacité du lit est de 0,74. - hexagonal compact : une première couche de sphères tangentes est disposée aux sommets et aux centres d'hexagones constituant le réseau. La 2eme couche est identique à la première, mais translatée exactement de la même manière que dans l'empilement cubique face centrées. La troisième couche est superposée à la première, contrairement à l'empilement cubique faces centrées. La compacité est identique à celle de l'empilement cubique faces centrées, soit 0,74. Ce sont les empilements « cubique faces centrées » et « hexagonal compact » qui offrent la plus grande densité volumique de stockage. En pratique, lorsqu'on remplit un container en déversant des sphères identiques, l'empilement dit aléatoire, est intermédiaire entre les types d'empilements précédents, et la compacité observée est généralement de l'ordre de 0,60. Cette valeur peut être augmentée jusqu'à une valeur limite théorique de 0,64 si le déversement est lent et si le container est secoué lors du déversement.

Par ailleurs, il a été observé que plus le diamètre des sphères était petit, plus les phases de charge et décharge étaient longues. En contrepartie, il a aussi été observé que plus le diamètre des sphères était petit, plus la conductivité résiduelle diminuait et plus le régime moléculaire était atteint rapidement en descendant en pression.

Dans le cas du lit, les parois solides sont les surfaces des sphères en regard dans les espaces interstitiels. La distance entre les «parois» qui, avec la pression, détermine le régime de conductivité (continu ou moléculaire) dépendra donc du diamètre des sphères. Plus les sphères seront petites et plus la partie linéaire (partie centrale) de la courbe de la figure 3 aura tendance à se décaler vers la droite, avec comme conséquence que la conductivité effective du lit atteindra pratiquement la valeur de la conductivité résiduelle pour des pressions encore relativement élevées. Le diamètre des sphères sera avantageusement de l'ordre du millimètre, voire du centimètre. Pour des diamètres plus importants, la dépression nécessaire pour garantir un stockage de longue durée devra probablement être inférieure à 10-2 mbar, ce qui semble difficilement compatible avec un dispositif économique. A l'inverse, pour des diamètres inférieurs au millimètre, la durée des phases de charge et de décharge sera rallongée. Ainsi, la mise sous vide (dépression) du lit en fin de charge (période pendant laquelle la chaleur dite sensible est accumulée par élévation de température du lit) permet de diminuer sa conductivité thermique d'au moins un facteur dix sans modification de sa capacité de stockage et donc de réduire considérablement les pertes thermiques. Outre un allongement important de la durée des stockages industriels de chaleur à haute température, la réduction drastique des pertes thermiques engendrée par l'invention permet d'envisager le stockage inter- saisonnier de chaleur sensible solaire au niveau de l'habitat individuel, notamment en connectant en parallèle des lits compacts de sphères d'un volume de l'ordre du mètre cube seulement.

Les matériaux constitutifs des particules de médium (pierres, particules de béton, de préférence verres, céramiques ou amiante vitrifiée) peuvent être peu coûteux, abondants, stables dans le temps et non-polluants. Les technologies de fabrication sont simples et fiables. Les avantages écologiques sont incontestables : récupération de chaleur industrielle, utilisation d'énergie renouvelable non-polluante avec économie d'énergie fossile et réduction d'émissions de gaz à effet de serre concomitantes dans l'habitat, recyclage éventuel des déchets d'amiante après vitrification. Bien entendu, un dispositif selon l'invention peut être envisagé pour la réfrigération des bâtiments en été, par stockage des frigories en hiver.5

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de stockage d'énergie sous forme de chaleur sensible, caractérisé en ce qu'il comprend : - une enceinte étanche comprenant une entrée et une sortie de fluide caloporteur ; - un médium de stockage d'énergie disposé dans l'enceinte étanche ; - une pompe à vide en communication fluidique avec l'enceinte.
2. 2. Dispositif de stockage d'énergie selon la revendication 1, dans lequel le médium de stockage est sous forme de particules, avantageusement des sphères
3. 3. Dispositif de stockage d'énergie selon la revendication 2, dans lequel les sphères sont agencées selon un lit compact et en un empilement cubique centré, un empilement cubique faces centrées, un empilement hexagonal compact ou un empilement aléatoire
4. 4. Système de stockage d'énergie sous forme de chaleur sensible, caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 ; - un moyen de chauffage d'un fluide caloporteur ; - un circuit de fluide caloporteur reliant le moyen de chauffage au dispositif de stockage d'énergie ; - un moyen de mise en circulation du fluide dans le circuit ; - une unité centrale de gestion du moyen de mise en circulation du fluide et de la pompe à vide ;
5. 5. Système de stockage d'énergie selon la revendication 4, dans lequel le circuit reliant le moyen de chauffage au dispositif de stockage d'énergie est en boucle fermée.
6. 6. Système de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, comprenant, en outre, un moyen d'utilisation de l'énergie stockée sous forme de chaleur sensible, en communication fluidique avec le dispositif de stockage d'énergie, avantageusement en boucle fermée.
7. 7. Système de stockage d'énergie selon la revendication 6, dans lequel le moyen d'utilisation de l'énergie est également en communication fluidique, avantageusement en boucle fermée, avec le moyen de chauffage du fluide caloporteur.
8. 8. Système de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, comprenant : - une pluralité de dispositifs selon l'une quelconque des revendications1 à 3 agencés en parallèle entre le moyen de chauffage du fluide caloporteur et le moyen d'utilisation de l'énergie ; - au moins une vanne multivoies agencée entre le moyen de chauffage du fluide caloporteur et la pluralité de dispositifs de stockage d'énergie ; et - au moins une vanne multivoies agencée entre la pluralité de dispositifs de stockage d'énergie et le moyen d'utilisation de l'énergie.
9. 9. Procédé de stockage d'énergie sous forme de chaleur sensible susceptible d'être mis en oeuvre avec le dispositif de stockage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - faire circuler un fluide chaud au contact du médium de stockage d'énergie disposé dans l'enceinte étanche, jusqu'à ce que le médium atteigne une température dite de stockage ; - vider le fluide caloporteur de l'enceinte en générant une dépression dans l'enceinte avec la pompe à vide.
10. 10. Procédé de stockage de frigories sous forme de chaleur sensible extraite du médium, susceptible d'être mis en oeuvre avec le dispositif de stockage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - faire circuler un fluide froid au contact du médium de stockage d'énergie disposé dans l'enceinte étanche, jusqu'à ce que le médium atteigne une température dite de stockage ; - vider le fluide caloporteur de l'enceinte en générant une dépression dans l'enceinte avec la pompe à vide. 10