FR3038376B1 - Dispositif de stockage d'energie par materiau a changement de phase et son procede de stockage - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de stockage d'énergie thermique par matériau à changement de phase comprenant : une enceinte (1) de stockage comprenant des modules (5) de rétention d'au moins un MCP (10), et des moyens de circulation de fluide caloporteur (4) dans l'enceinte (1) configurés pour l'entrée, la sortie et à la circulation du fluide caloporteur (4) dans l'enceinte (1) et autour des modules (5) caractérisé en ce que chaque module (5) comprend au moins une ouverture (13) dans sa partie supérieure (6). Le domaine de l'invention concerne les Systèmes de Stockage Thermiques (SST) par Matériaux à Changement de Phase (MCP) ; et plus particulièrement, l'intégration d'un système permettant d'optimiser la disponibilité d'énergie thermique stockée. L'invention trouvera une de ses applications dans les réseaux électrique et de chaleur, urbains ou ruraux.
Description
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif de stockage d’énergie par matériau à changement de phase et son procédé de stockage.
Le domaine de l’invention concerne les Systèmes de Stockage Thermiques (SST) par Matériaux à Changement de Phase (MCP) ; et plus particulièrement, l’intégration d’un système permettant d’optimiser la disponibilité d’énergie thermique stockée.
L’invention trouvera une application dans les réseaux électriques et de chaleur urbains ou ruraux ou encore dans les domaines du solaire thermique ou thermodynamique. L’invention pourra également trouver des applications dans les interactions entres les réseaux « smartgrid » électriques et thermiques
ETAT DE LA TECHNIQUE
Le stockage de l’énergie thermique qui consiste à placer une quantité d'énergie en un lieu donné pour permettre son utilisation ultérieure est une problématique de tout temps. La maîtrise du stockage de l'énergie est d’autant plus importante de nos jours pour valoriser les énergies alternatives qui sont intermittentes. Il est donc nécessaire de stocker cette énergie pour une utilisation ultérieure.
Les réseaux de chaleur sont constitués d’au moins une source de chaleur (centrale thermique, panneaux solaires thermiques, source géothermique,...), d’un réseau de fluide permettant le transport des calories aux usagers par l’intermédiaire d’un fluide caloporteur et éventuellement d’un réseau de retour. A chaque abonné correspond un échangeur de chaleur permettant le transfert thermique du circuit primaire (réseau relié à la source de chaleur) à un circuit secondaire ; ce second circuit est la propriété de l’abonné et est parcouru par de l’eau chaude (<100°C). Cet échangeur est le point de livraison de l’énergie thermique, on appelle l’ensemble échangeur, compteur, et les différents jeux de vannes : une sous-station.
La charge d’un réseau de chaleur est très fluctuante, en moyenne sur l’année les unités de production fonctionnent à 25% de leur capacité. Ce qui implique que les pics de consommation sont 4 fois plus importants que la charge moyenne. Ces pics (matin, soir) représentent environ 30% de la consommation thermique d’une journée de chauffe typique. Les générateurs d’appoints (et de secours) sont généralement des centrales thermiques au fioul lourd, au gaz naturel ou au charbon, polluantes et pas toujours bon marché. L’utilisation d’un système de stockage thermique qui emmagasinerait des calories pendant que la demande est basse et les réinjecterait sur le réseau pendant les pics de consommations pourrait pallier à ce problème.
Le stockage thermique peut être réalisé par stockage par enthalpie de changement d’état. Dans ce cas le stockage se fait par matériau à changement de phase. C’est l’enthalpie de changement de phase, le plus souvent lors du changement d’état solide/liquide, qui est stockée. Cette énergie, qui est absorbée lors de la fusion et libérée lors de la solidification, résulte de l’établissement, ou de la rupture, de liaisons interatomiques ou intermoléculaires. La charge du système de stockage s’accompagne de la fusion du matériau de stockage, tandis que la décharge est réalisée par la solidification dudit matériau. Le matériau doit être judicieusement choisi en fonction de la température cible du système de stockage, afin que sa température de fusion soit dans la plage de température d’utilisation.
La quantité d’énergie thermique stockée s’exprime avec la relation suivante : AQ=mh_sl m Masse [kg] h_sl Enthalpie massique de changement de phase solide-liquide [kJ/kg]
Un des avantages majeurs de cette technologie est que le changement de phase se fait à pression et température constantes. Par conséquent, la décharge de l’énergie stockée peut se faire à température constante.
L’enthalpie de changement de phase est relativement importante en comparaison de la variation d’énergie sensible d’un matériau. Par exemple, l’énergie stockée dans la fusion d’un bloc de glace (passage de 0 à 1°C) est équivalente à l’énergie stockée dans cette même quantité d’eau si on la chauffe de 80°C.
Par conséquent, les systèmes de stockage avec MCP sont intéressants car la quantité d’énergie stockée par unité de volume est supérieure à celle obtenue par un système sensible (meilleure densité de stockage). De ce fait les volumes de stockage et de matériaux sont réduits, ce qui diminue le prix du système, et limite les pertes thermiques qui sont proportionnelles à la surface extérieure du réservoir.
Le stockage thermique s’est récemment développé autour des centrales solaires thermodynamiques afin de pallier l’intermittence de la ressource solaire. Aujourd’hui, la thématique du stockage thermique concerne également l’habitat et les réseaux de chaleur.
On connaît notamment les technologies de macro-encapsulation du MCP, d’échangeur tube et calandre et de stockage avec contact direct.
La macro-encapsulation du MCP consiste à placer dans un réservoir des modules étanches comprenant un MCP. Ces modules sont plongés dans un fluide caloporteur qui s’écoule le long des modules sans qu’il ait des contacts directs entre le MCP et le fluide caloporteur. Le fluide caloporteur et le MCP vont échanger de la chaleur. Le fluide caloporteur va en céder au MCP pendant la charge, ce qui entraînera la fusion de ce dernier. Le MCP va céder de la chaleur au fluide caloporteur pendant la décharge, ce qui entraînera la solidification de ce premier.
La technologie d’échangeur est bien connue : une calandre dans laquelle circule un fluide est parcourue par un faisceau de tubes dans lesquels un autre fluide s’écoule. Les deux fluides échangent de l’énergie par conduction à travers l’épaisseur des tubes. Dans le cas du stockage thermique cette technologie est adaptée, il n’y a plus échange entre deux fluides en mouvement, mais entre un fluide caloporteur qui circule dans les tubes et le MCP qui est fixe dans la calandre (mis à part les mouvements de convection naturelle en phase liquide). Lors de la charge, le fluide caloporteur arrive à une température supérieure à la température de fusion du MCP et cède de l’énergie à celui-ci, ce qui entraîne sa fusion ; lors de la décharge, le fluide caloporteur entre à une température inférieure à la température de fusion du MCP et récupère l’énergie précédemment stockée, ce qui entraîne la solidification du MCP.
Le stockage thermique par changement de phase d’un matériau est dit « à contact direct » si le MCP est en contact direct avec le fluide caloporteur. A titre d’exemple, pendant la charge, de l’huile chaude arrive par un tube d’alimentation et cède de l’énergie au MCP, entraînant la fonte de celui-ci. Ayant une densité plus faible que le MCP, l’huile remonte dans la partie haute du réservoir où elle est pompée pour retourner dans l’échangeur où elle est réchauffée. Au cours de la décharge, l’huile froide arrive par le tube d’alimentation, elle monte en température en échangeant de l’énergie avec le MCP qui se solidifie, puis remonte dans la partie haute du réservoir où elle est de nouveau pompée ; dans l’échangeur, l’huile cède de la chaleur à un fluide secondaire. Des problèmes de disposition spatial des matériaux apparaissent entraînant des déformations voir des détériorations du système.
D’une manière générale, les problèmes principaux rencontrés par les systèmes de stockage thermiques par enthalpie de changement d’état sont l’existence de contraintes mécaniques fortes au cours des cycles de fusion/solidification du MCP et la faible conductivité du MCP qui impacte négativement les transferts de chaleur au sein du réservoir.
Il existe le besoin d’améliorer les performances des dispositifs de stockage d’énergie thermique en permettant un stockage et une restitution de chaleur toujours plus importante.
EXPOSE DE L’INVENTION
La présente invention propose à cet effet un dispositif de stockage d’énergie thermique par matériau à changement de phase (MCP) comprenant une enceinte de stockage dans laquelle sont disposés des modules de rétention d’au moins un MCP et configurée pour recevoir un fluide caloporteur. Le dispositif comprend des moyens de mise en circulation du fluide caloporteur dans l’enceinte configurés pour assurer l’entrée, la sortie et la circulation du fluide caloporteur dans l’enceinte et autour des modules de rétention. De manière caractéristique, chaque module du dispositif selon l’invention comprend au moins une ouverture dans sa partie supérieure.
Les modules de rétention comprennent au moins un MCP. Les modules de rétention de l’invention ne sont pas clos, ils possèdent aux moins une ouverture. Les modules sont ouverts. La au moins une ouverture est agencée dans la partie supérieure du module.
Par cette disposition de l’invention, la pression à l’intérieur des modules de rétention est constante. Elle ne varie pas ou du moins que très faiblement au cours des cycles de changement de phase du au moins un MCP.
Grâce à l’invention, les modules de rétention ne sont plus soumis aux contraintes mécaniques répétitives engendrées par les cycles de changement de phase du au moins un MCP.
De manière avantageuse, le dispositif selon l’invention facilite les opérations de maintenance en facilitant l’accès au MCP.
Par ailleurs, le dispositif est flexible dans le sens où il est simple de changer le MCP contenu dans les modules; il n’est pas nécessaire de vidanger le MCP du dispositif comme ça peut être, par exemple, le cas pour les systèmes tubes et calandre. Dans l’invention, seul le fluide caloporteur est vidangé ce qui est particulièrement simple. Dans les systèmes tubes et calandre, la vidange du MCP est extrêmement complexe car il faut évacuer le MCP sous forme liquide et donc à haute température. Dans ces systèmes, le remplissage est tout aussi complexe puisqu’il faut remplir, soit en liquide, soit en solide. Dans le premier cas cela signifie également que le composé doit être à haute température, et dans le second, il faut que le MCP soit sous forme de poudre. Dans l’invention, l’ajout ou le retrait de MCP est donc simplifié.
De plus, la disposition spatial des matériaux est définie notamment par les modules ce qui évite les problèmes des systèmes à contact direct de l’état de la technique.
Préférentiellement, chaque module comprend une face supérieure sur laquelle est disposée la au moins une ouverture. De cette manière, l’ouverture se situe au point le plus haut du module améliorant l’équilibrage de pression de l’intérieur du module.
Suivant un autre aspect, l’invention concerne un procédé de stockage d’énergie thermique par un dispositif de stockage d’énergie tel que décrit ci-dessus caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
une étape de charge d’énergie thermique dans le au moins un MCP comprenant l’arrivée du fluide caloporteur à haute température dans la partie supérieure de l’enceinte, se refroidissant avantageusement au contact des modules lors de l’échange thermique avec le au moins un MCP contenu dans les modules, et sa sortie hors de l’enceinte dans la partie inférieure de ladite enceinte, et une étape de décharge d’énergie thermique depuis le au moins un MCP comprenant l’arrivée du fluide caloporteur à basse température dans la partie inférieure de l’enceinte, se réchauffant au contact des modules lors de l’échange thermique avec le au moins un MCP contenu dans les modules, et sa sortie hors de l’enceinte dans la partie supérieure de ladite enceinte.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les figures d’accompagnement suivantes dans lesquelles :
Figure 1 : vue en coupe d’un dispositif selon un premier mode de réalisation de l’invention en décharge (partie gauche) et en charge (partie droite).
Figure 2 : vue en coupe d’un dispositif selon un deuxième mode de réalisation de l’invention en décharge (partie gauche) et en charge (partie droite).
Figure 3 : vue en coupe d’un dispositif selon une variante du deuxième mode de réalisation de l’invention en décharge (partie gauche) et en charge (partie droite).
Figures 4 et 5 : illustrations de différentes formes possibles pour les modules du dispositif selon l’invention : parallélépipédique rectangle (figure 4) et cylindrique (figure 5).
Figures 6 et 7 : illustrations de différentes formes possibles pour la au moins une ouverture d’un module.
Figure 8 : vue en coupe d’un module et d’un élément de fermeture de l’enceinte assurant l’étanchéité de l’enceinte.
Figure 9 : vue en perspective d’un dispositif selon l’invention illustrant une enceinte recevant une pluralité de modules parallèles les uns aux autres.
Figure 10 : Vue en coupe du dessus d’un module parallélépipédique rectangle.
Figures 11 et 12: vues en coupe respectivement dans la longueur et dans l’épaisseur d’un module rectangulaire comprenant des renforts.
Figure 13 : vue en coupe du dessus d’un module rectangulaire comprenant des ailettes.
Figure 14 : vue en coupe de côté d’un dispositif selon l’invention décharge (partie gauche) et en charge (partie droite).
Figure 15 : Vue du dessus en coupe d’un dispositif selon l’invention.
Figures 16 et 17 : Vues respectivement en perspective et du dessous de cannes de distribution du fluide caloporteur dans l’enceinte.
Figure 18 : vue en coupe d’un dispositif selon une variante du premier mode de réalisation de l’invention en charge avec une superposition des modules dans l’enceinte.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement.
On rappelle tout d’abord que l’invention concerne un dispositif de stockage d’énergie thermique par matériau à changement de phase comprenant : une enceinte de stockage comprenant des modules de rétention d’au moins un MCP, et des moyens de circulation de fluide caloporteur dans l’enceinte configurés pour l’entrée, la sortie etla circulation du fluide caloporteur dans l’enceinte et autour des modules caractérisé en ce que chaque module comprend au moins une ouverture dans sa partie supérieure.
Avantageusement, suivant des variantes préférées mais non limitatives, l’invention est telle que :
- le module comprend une face supérieure sur laquelle la au moins une ouverture est agencée,
- la au moins une ouverture présente une surface de dimensions inférieures aux dimensions de la face supérieure du module,
- les modules sont au moins partiellement immergés dans le fluide caloporteur contenu dans l’enceinte,
- les modules sont entièrement noyés dans le fluide caloporteur contenu dans l’enceinte,
- le MCP et le fluide caloporteur sont en contact,
- le contact entre le fluide caloporteur est le MCP est situé dans les modules,
- le MCP et le fluide caloporteur sont compatibles et non miscibles,
- le MCP est un MCP solide / liquide dont les phases solide et liquide sont plus denses que le fluide caloporteur,
- les modules sont partiellement contenus dans ladite enceinte et la au moins une ouverture de chaque module débouche en dehors de l’enceinte,
- le dispositif comprend un élément de fermeture de l’enceinte coopérant avec une partie supérieure des modules de sorte que la au moins une ouverture de chaque module débouchent en dehors de l’enceinte,
- la coopération entre les modules et l’élément de fermeture est configurée pour assurer l’étanchéité de l’enceinte vis-à-vis du fluide caloporteur,
- le dispositif comprend un capot amovible configuré pour délimiter un ciel gazeux au-dessus de l’enceinte dans lequel débouche la au moins une ouverture de chaque module.
- le capot est équipé d’une mise en circulation du ciel gazeux contenu au-dessus de l’enceinte avec l’atmosphère extérieure,
- le MCP est un MCP solide/liquide,
- les modules sont de formes longitudinales définissant un axe longitudinal,
- les modules sont disposés parallèlement les uns aux autres,
- l’enceinte comprend un volume intérieur et des moyens de maintien des modules au moins partiellement dans ledit volume intérieur,
- les moyens de maintien des modules comprennent au moins un support s’étendant suivant une direction principale transversale aux modules,
- le support est configuré pour permettre la circulation du fluide caloporteur dans l’enceinte,
- les modules sont superposés formant deux niveaux de modules,
- les modules comprennent des parois latérales et/ou un fond ondulés ou gaufrés pour augmenter la surface d’échange et pour améliorer la convection côté fluide caloporteur,
- les modules comprennent des parois latérales et/ou un fond définissant un volume intérieur comprenant des ailettes afin d’améliorer la diffusion thermique dans le MCP,
- modules comprennent des parois latérales et/ou un fond définissant un volume intérieur comprenant des renforts pour limiter et répartir les efforts au sein des parois du module.
Suivant un autre aspect, l’invention concerne un procédé de stockage d’énergie thermique par un dispositif de stockage d’énergie thermique tel que décrit ci-dessus caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : une étape de charge d’énergie thermique dans le au moins un MCP comprenant l’arrivée du fluide caloporteur à haute température dans la partie supérieure de l’enceinte pour se refroidir au contact des modules lors de l’échange thermique avec le au moins un MCP contenu dans les modules et sa sortie hors de l’enceinte dans la partie inférieure de ladite enceinte, et une étape de décharge d’énergie thermique depuis le au moins un MCP comprenant l’arrivée du fluide caloporteur à basse température dans la partie inférieure de l’enceinte pour se réchauffer au contact des modules lors de l’échange thermique avec le au moins un MCP contenu dans les modules et sa sortie hors de l’enceinte dans la partie supérieure de ladite enceinte.
Le dispositif selon l’invention comprend une enceinte 1 de stockage comprenant des modules 5 de rétention d’au moins un MCP 10. L’enceinte 1 est configurée pour recevoir un fluide caloporteur 4. Le fluide caloporteur 4 circule dans l’enceinte 1 d’une entrée 14a vers une sortie 14b.
Le dispositif comprend au moins un module de rétention 5 et avantageusement une pluralité. Dans la suite de la description, il est utilisé sans être limitatif le singulier ou le pluriel pour les modules 5.
Les modules 5 de rétention sont représentés sur la majorité des figures de forme parallélépipédique, les modules peuvent également être de forme cylindrique tel qu’illustré en figure 5. La forme des modules 5 n’est pas limitée à ces deux exemples (hexagones, carrés,...)
Préférentiellement, les modules ont une forme longitudinale définissant ainsi un axe longitudinal 9.
Les modules 5 sont agencés dans l’enceinte 1 de manière parallèle les uns aux autres c’est-à-dire avec leurs axes longitudinaux parallèles les uns aux autres.
Les modules 5 disposés dans l’enceinte 1 présentent une partie supérieure 6 et une partie inférieure 7 relativement à un axe vertical. La partie supérieure 6 se définit avantageusement comme la partie située au-dessus du plan médian du module 5, coupant en deux parties égales le module 5 perpendiculairement à la verticale, préférentiellement dans le tiers supérieur de la partie située au-dessus du plan médian. La partie inférieure 7 se définit avantageusement comme la partie située au-dessous du plan médian du module 5, coupant en deux parties égales le module 5 perpendiculairement à la verticale, préférentiellement dans le tiers inférieur de la partie située au-dessous du plan médian.
Au moins un module 5 de l’enceinte comprend au moins une ouverture 13 agencée dans la partie supérieure 6 du module 5. Préférentiellement, chaque module 5 comprend au moins une ouverture 13.
Dans la suite de la description, on utilise de manière non limitative le terme « une ouverture ».
Les modules 5 sont creux. Ils comprennent des parois latérales 24 et un fond 25 définissant un volume intérieur destiné à recevoir au moins un MCP 10. Les modules 5 sont ouverts, ils ne sont pas fermés. Les modules 5 ne sont pas hermétiques.
Les modules 5 comprennent une face supérieure 8. L’ouverture 13 est avantageusement formée sur la face supérieure 8, se situant ainsi avantageusement au point le plus haut du module 5. La face supérieure 8 est opposée au fond 25.
Le fait que chaque module 5 soit ouvert permet de réduire les contraintes mécaniques engendrées lors des cycles de changement de phase du MCP 10. En effet, lors des changements de phase de MCP 10, le changement de volume du MCP peut aller jusqu’à 20%, ce qui entraîne une variation très importante de la pression dans le module 5 lorsque celui-ci est fermé, générant ainsi des contraintes mécaniques néfastes pour la résistance dans le temps du dispositif. Avec les modules 5 selon l’invention, les changements de pression induits par les changements de phase du MCP dans les modules sont très faibles voire nuis.
L’ouverture 13 peut être de forme variée. Selon une possibilité, l’ouverture 13 est telle qu’elle correspond exactement à la face supérieure 8 du module 5 telle qu’illustrée aux figures 1 à 3 et 8. Suivant une autre possibilité préférée, l’ouverture 13 est de dimensions inférieures à la surface de la face supérieure 8. Encore plus préférentiellement, l’ouverture 13 est de forme optimisée pour réduire les pertes thermiques par convection avec le fluide en contact, un exemple d’ouverture 13 optimisée est donné en figures 6 et 7.
Selon une possibilité, le module 5 comprend une pluralité d’ouverture 13. La face supérieure 8 peut être constituée d’une plaque perforée d’une pluralité d’ouverture 13 telle qu’une grille. Préférentiellement, l’ouverture 13 ou la somme des ouvertures 13 présente une surface minimale de l’ordre de 1% de la surface totale de la face supérieure 8. A titre d’exemple, une ouverture 13 circulaire de 2mm de diamètre permet pour une face supérieure 8 de 20cm de surface d’avoir un équilibrage des pressions assuré tout en limitant les pertes thermiques et sans risque d’encrassage de l’ouverture 13.
Avec l’invention, l’enceinte 1 peut être horizontale c’est-à-dire ayant une plus grande dimension orientée horizontalement et non pas verticalement avec des modules 5 pouvant également être de forme longitudinale orientée horizontalement, l’ouverture 13 étant toujours agencée en partie supérieure 6, avantageusement sur la face supérieure 8, sans que les performances soient diminuées par la convection naturelle.
On entend par face supérieure 8, la face se situant le plus haut suivant la verticale lorsque le module 5 est agencé dans l’enceinte 1.
Selon un mode de réalisation préféré, les modules 5 comprennent des parois classiquement métalliques. Les parois sont préférentiellement recouvertes d’un matériau de revêtement destiné à éviter le contact entre le au moins un MCP 10 et des parties métalliques. Ce matériau de revêtement est toutefois d’épaisseur réduite de sorte ne pas gêner le transfert thermique entre les modules 5 et le MCP 10. A titre d’exemple le matériau de revêtement est un polymère ou une résine, préférentiellement un matériau de type résine fluorée tel du PTFE, FEP ou PFA. Cette disposition améliore les capacités de stockage du MCP 10 en limitant l’oxydation du MCP 10 lors des cycles de stockage au contact de l’oxygène et/ou du métal. Avantageusement, cette disposition peut également être utile pour éviter la corrosion des modules 5 par le MCP 10 si celui-ci est corrosif.
Les modules 5 contiennent au moins un MCP 10. Il peut être utilisé des mélanges de MCP 10. Dans la suite de la description, la référence à un MCP 10 n’est pas limitative. Différents MCP 10 peuvent être utilisés notamment les MCP 10 à transition solide/solide ou préférentiellement les MCP 10 à transition solide/liquide. L’invention est adaptée à une vaste variété de MCP 10 et donc à une large gamme de température de stockage. Les deux grandes catégories de MCP 10 pouvant être utilisés sont les organiques (paraffine, acide gras, alcool,...) et les inorganiques (hydrates de sel, alliages métalliques,...). A titre d’exemple non limitatif, le MCP 10 est de l’acide sébacique (acide gras), un des produits commercialisés par Rubitherm® (RT90HC) ou de la gamme PlusICE® de PCM Products (A95).
Le MCP 10 est un matériau à deux phases préférentiellement solide 11 et liquide 12 dont le passage entre ces deux phases stocke ou libère de l’énergie. Préférentiellement, le passage d’une première phase à une deuxième phase va nécessiter de la chaleur qui est donc stockée dans le MCP 10 dans sa deuxième phase. Cette chaleur est, dans l’invention, apportée par le fluide caloporteur 4 qui est à haute température, c’est-à-dire une température plus haute que la température de changement de phase du MCP 10. A contrario, le passage de la deuxième phase à la première phase est exothermique et libère la chaleur stockée. Cette chaleur est, dans l’invention, récupérée par le fluide caloporteur 4 qui est à basse température, c’est-à dire une température plus basse que la température de changement de phase du MCP 10.
Le MCP 10 est préférentiellement choisi parmi les MCP qui ne s’oxydent pas et/ou qui n’oxydent pas la structure des modules 5 et/ou qui aient une bonne enthalpie massique de changement de phase et/ou qui ne soient pas toxique. De préférence, le MCP 10 aura une bonne capacité calorifique et une conductivité thermique la plus élevée possible.
Le dispositif comprend des moyens de circulation du fluide caloporteur en entrée, sortie et dans l’enceinte 1. Les moyens de circulation comprennent des canalisations 14 pour le fluide caloporteur. Ces canalisations 14 comprennent avantageusement au moins une canalisation 14 constituant l’entrée 14a et au moins une canalisation 14 constituant la sortie 14b. L’entrée 14a et la sortie 14b peuvent être, selon les modes de réalisation, disposées à deux extrémités opposées de l’enceinte 1, par exemple l’entrée en haut et la sortie en bas ou bien agencées d’un même côté par exemple en haut.
Suivant un mode de réalisation préféré, l’entrée 14a se situe en partie supérieure de l’enceinte 1 lors de l’étape de charge et en partie inférieure de l’enceinte 1 lors de l’étape de décharge. Avantageusement, la sortie 14b est agencée de manière opposée à l’entrée 14a, c’est-à-dire en partie inférieure lors de l’étape de charge et en partie supérieure lors de l’étape de décharge. Cette disposition optimise les transferts thermiques et la tenue mécanique de l’ensemble.
Dans une construction privilégiée, les moyens de mise en circulation du fluide caloporteur 4 dans l’enceinte 1 comprennent des distributeurs de diffusion du fluide caloporteur 4 dans l’enceinte 1. La diffusion et la récupération du fluide caloporteur 4 dans l’enceinte 1 se fait au travers de distributeurs orizontaux, figures 16 et 17.
Avantageusement, des cannes 15 perforées traversent l’enceinte 1 et permettent une diffusion du fluide caloporteur 4 au plus près des modules 5 assurant des échanges optimisés.
Le fluide caloporteur 4 est classiquement de l’eau mais tout autre fluide présentant des propriétés caloportrices peut être utilisé.
Le dispositif de stockage selon l’invention comprend selon une possibilité un dispositif de régulation de la température du fluide caloporteur 4. Le dispositif de régulation permet de contrôler la température du fluide caloporteur 4 lors de l’utilisation du dispositif de stockage d’énergie pour apporter et extraire de la chaleur du MCP 10 contenu dans l’enceinte 1.
Selon un mode de réalisation préféré, l’enceinte 1 comprend des parois intérieures classiquement métalliques.
L’enceinte 1 est selon une possibilité de forme parallélépipédique, toutefois elle peut également être de forme cylindrique, hexagonale ou plus généralement polyédrique. L’enceinte 1 possède des parois 2 et un fond 3 formés de matériau métallique résistant aux variations de pression et de température. A titre d’exemple, l’enceinte 1 est en acier de construction au carbone. Les nuances classiques pour une enceinte 1 sous pression sont P235GH, P265GH, P355GH. En l’absence de pression, des aciers inoxydables 304, 316 peuvent être utilisés.
L’enceinte 1 comprend des parois latérales 2 et un fond 3 et avantageusement une paroi supérieure, définissant un volume intérieur recevant notamment des modules 5 et le fluide caloporteur 4.
Les modules 5 sont avantageusement au moins partiellement contenus dans l’enceinte 1.
Les modules 5 sont au moins partiellement immergés dans le fluide caloporteur
4. L’immersion des modules 5 est configurée pour être avantageusement au moins au niveau du MCP 10 sous forme solide 11 de sorte à assurer des échanges thermiques suffisants.
Plusieurs modes de réalisations sont envisageables.
Suivant un premier mode de réalisation, les modules 5 sont entièrement noyés dans le fluide caloporteur 4 comme illustré en figures 1 et 18. Dans ce mode de réalisation, il est préféré, que le fluide caloporteur 4 et le MCP 10 soient compatibles, préférentiellement non-miscibles, et avantageusement que le MCP sous forme solide 11 ou liquide 12 soit plus dense que le fluide caloporteur 4, de cette manière le MCP sous forme solide 11 ou liquide 12 reste en position dans le module 5. L’étanchéité de l’enceinte 1 vis-à-vis du fluide caloporteur 4 se fait notamment par les parois de l’enceinte 1 et précisément la paroi supérieure 26 ou d’un élément de fermeture 21. Les variations de pression dues au changement de phase du MCP 10 sont amorties par le fluide caloporteur 4. Dans ce mode de réalisation, le MCP 10 et le fluide caloporteur 4 sont en contact. Le contact est réalisé dans les modules 5. Ce contact direct entre le MCP 10 et le fluide caloporteur 4 peut être privilégié dans le cas où le MCP 10 est sujet à l’oxydation et où son contact avec l’air entraîne sa dégradation. Le fluide caloporteur 4 joue le rôle d’isolant du MCP 10 avec l’atmosphère, formant une couche protectrice. Suivant un deuxième mode de réalisation, les modules 5 sont partiellement contenus dans l’enceinte 1 comme illustré en figures 2 et 3. Les modules 5 sont partiellement immergés dans le fluide caloporteur 4. Selon ce mode de réalisation, l’ouverture 13 de chaque module 5 débouche en dehors de l’enceinte 1. Les modules 5 sont disposés dans l’enceinte 1 de sorte que leurs parties supérieures 6 soient au moins partiellement disposées en dehors de l’enceinte 1. Les modules 5 coopèrent avantageusement avec un élément de fermeture 21 formant la paroi supérieure de l’enceinte 1. Les modules 5 traversent avantageusement l’élément de fermeture 21 de sorte à maintenir avantageusement la plus grande partie du module 5 contenant le MCP 10 dans l’enceinte 1 et préférentiellement immergée dans le fluide caloporteur 4, et l’ouverture 13 en dehors de l’enceinte 1. La coopération des modules 5 et de l’élément de fermeture 21 assure l’étanchéité de l’enceinte 1. Cette coopération est configurée pour permettre de fermer l’enceinte 1 de sorte à maintenir le fluide caloporteur dans l’enceinte 1 et avantageusement sans fuite au niveau de la jonction entre les modules 5 et l’élément de fermeture 21. L’enceinte 1 est étanche. Avantageusement, des moyens d’étanchéité sont disposés à la jonction des modules 5 et de l’élément de fermeture 21. A titre d’exemple, des joints ou bien la jonction est soudée ou brasée formant par exemple une collerette 20 sur la face supérieure de l’élément de fermeture 21 tel qu’illustré en figure 8.
L’élément de fermeture 21 est avantageusement une plaque préférentiellement dans une même composition et présentant les mêmes propriétés que les parois latérales 2 et le fond 3 de l’enceinte 1. La plaque présente avantageusement des ouvertures traversantes configurées pour permettre le passage de modules 5 et avantageusement de dimensions légèrement supérieures à celles des modules 5.
Dans ce mode de réalisation, les modules 5 débouchent en dehors de l’enceinte 1 et avantageusement dans l’atmosphère, figure 3. Le MCP 10 est au contact de l’atmosphère, il est préféré de prévoir des ouvertures 13 de forme optimisées, préférentiellement de dimensions réduites de sorte à assurer un équilibrage des pressions sans pour autant détériorer les capacités thermiques du MCP 10 et pour limiter la pénétration d’éléments extérieurs dans les modules 5 et dans le MCP 10.
Selon une possibilité de ce mode de réalisation, le dispositif comprend un capot 16 configuré pour délimiter un ciel gazeux 17 au-dessus de l’enceinte 1 et dans lequel débouchent les ouvertures 13 des modules 5, figure 2.
Le capot 16 coopère avec la partie supérieure de l’enceinte 1, avantageusement, le capot 16 est en contact avec les parois latérales 2 de l’enceinte 1 et plus préférentiellement avec les extrémités supérieures des parois latérales 2 de l’enceinte
1.
Le ciel gazeux 17 est une zone délimitée entre le capot 16 et l’enceinte 1, plus précisément la paroi supérieure 26 de l’enceinte 1, formant l’élément de fermeture 21.
Cette zone est avantageusement remplie de gaz, pouvant être identique ou non à l’atmosphère. Le ciel gazeux 17 peut être inerte ou non.
Le capot 16 est préférentiellement amovible de sorte à faciliter l’accès aux modules 5 et au MCP 10 tout en assurant une protection contre la pénétration d’objets indésirables.
Selon cette possibilité, le dispositif comprend des moyens d’équilibrage de la pression dans le ciel gazeux 17. A titre d’exemple, ces moyens d’équilibrage avantageusement une mise en circulation du ciel gazeux 17 avec l’extérieur du ciel gazeux 17, avantageusement l’atmosphère. La mise en circulation peut être simplement un passage permettant la libre circulation du ciel gazeux 17 vers l’extérieur et inversement. Le passage peut, éventuellement, être contrôlé par des moyens de contrôle type soupape permettant d’évacuer le surplus de pression.
Quel que soit le mode de réalisation, avantageusement l’enceinte 1 est entièrement remplie de fluide caloporteur 4, c’est-à-dire que l’enceinte 1 ne comprend pas d’espace vide. Le fluide caloporteur 4 est en contact de la paroi supérieure 26 et/ou de l’élément de fermeture 21 de l’enceinte 1. Cette disposition maximise la surface d’échange entre le fluide caloporteur 4 et les modules 5 tout en limitant l’encombrement.
Dans une construction privilégiée, les modules 5 sont placés de telle sorte qu’ils forment un pavage en deux dimensions, plusieurs rangées parallèles comprenant plusieurs modules 5 parallèles, de façon à ce que l’utilisation de l’espace soit optimisée. C’est-à-dire qu’il y ait le plus possible de MCP 10 dans le dispositif de stockage, ce qui participe à rendre celui-ci plus compact comme illustré en figure 9.
Dans le cas d’une mise en œuvre du type de modules 5 entièrement noyés dans le fluide caloporteur 4 tel que décrit ci-dessus et illustré à la figure 1, il est possible de placer les modules 5 selon les trois dimensions de l’espace. En plus du pavage bidimensionnel, il est envisageable de placer des modules 5 les uns au-dessus des autres, figure 18.
Selon un mode de réalisation, les modules 5 parallélépipédiques rectangles sont renforcés au moyen de renforts 22 tels que des tiges métalliques placées entre les deux parois latérales 24 des modules 5 tels qu’illustré aux figures 10 à 12. Ces renforts 22 ont pour fonction de limiter et répartir les efforts au sein des parois du module 5. Elles peuvent être fixées par soudure. Ces renforts 22 sont fonction de l’utilisation du module 5. Dans le cas de modules 5 partiellement immergés dans le fluide caloporteur 4, tel que décrits ci-dessus et illustrés aux figures 2 et 3, en considérant un ciel gazeux 17 à pression atmosphérique et un fluide caloporteur 4 à une pression de circulation de ou 4 bars, les renforts 22 doivent permettre aux modules 5 de résister aux différences de pression entre l’extérieur du module 5 et l’intérieur de celui-ci.
Suivant une possibilité, les modules 5 comprennent en leur sein des ailettes 23 afin d’améliorer la diffusion thermique dans le MCP 10. Les ailettes 23 peuvent être fixes et faisant partie intégrante du module 5, ou bien amovibles. Par exemple, il peut s’agir de fines plaques métalliques disposées dans le MCP 10 afin d’augmenter la conductivité thermique équivalente de celui-ci. La réalisation d’ailettes 23 fixes peut s’avérer compliquée. Les ailettes 23 amovibles sont alors à privilégier. Il peut être envisagé de placer une plaque de mousse, par exemple métallique ou en graphite, à l’intérieur d’un module 5 rectangulaire par exemple. Le matériau constitutif de la mousse ou des ailettes doit avoir une bonne conductivité thermique, avantageusement supérieure à 15W/m/K, voire une très bonne conductivité thermique (aluminium, cuivre,...)
Dans une construction privilégiée, les parois du modules 5 sont gaufrées, nervurées ou cannelées, afin d’augmenter la surface d’échange et le coefficient d’échange thermique convectif avec le fluide caloporteur.
Dans une construction possible, les cannes 15 inférieures sont situées juste en dessous du module 5 et les cannes 15 supérieures au même niveau que le MCP 10 lorsque celui-ci est sous forme liquide 12 comme illustré à la figure 14. Dans une construction privilégiée l’espace entre les distributeurs supérieurs et la paroi supérieure 26 ou l’élément de fermeture 21 est réduit au maximum, de sorte à limiter l’espace dans lequel du fluide caloporteur 4 chaud pourrait se loger sans pour autant pouvoir le récupérer.
Dans une construction privilégiée, le dispositif comprend des turbulateurs situés entre les modules 5 afin d’augmenter le coefficient de convection.
Dans une construction alternative illustrée à la figure 18, le dispositif de stockage compte plusieurs niveaux de modules 5. C’est-à-dire que les modules 5 sont superposés verticalement les uns aux dessus des autres. Cette configuration n’est possible que dans un mode de réalisation où les modules 5 inférieurs sont entièrement noyés dans le fluide caloporteur 4. Il peut être envisagé que les modules 5 supérieurs soient partiellement immergés selon les modes de réalisation des figures 2 et 3. Dans une réalisation avantageuse ceux-ci contiennent des MCP 10 différents afin de réaliser un dispositif de stockage dit « de MCP en cascade ». Les températures de fusion sont plus élevées à mesure que le MCP est haut, ce qui permet d’optimiser le dispositif de stockage thermique.
Avantageusement, le dispositif selon l’invention est modulable/ flexible car le nombre et la disposition des modules 5 peuvent être adaptés à la puissance et à l’énergie de stockage souhaitée.
Selon l’invention, le dispositif comprend avantageusement au moins un support 19 destiné à maintenir les modules 5 dans l’enceinte 1. Ce support 19 s’étend suivant une direction sensiblement perpendiculaire aux modules 5. Le support 19 est également appelé rack. Le support 19 est par exemple une plaque métallique traversant de part en part l’enceinte 1 dans une direction sensiblement horizontale. Le support 19 possède des ouvertures permettant le passage des modules 5. Il peut être configuré pour supporter les modules 5 de sorte à ce que ceux-ci ne reposent pas sur le fond 3 de l’enceinte 1, les modules sont alors être configurés pour être supportés par le support 19. Le support 19 possède également des ouvertures pour assurer le passage du fluide caloporteur 4. Ces ouvertures sont le plus large possible pour assurer l’homogénéité de la température et des vitesses sur la section de passage du fluide caloporteur.
Dans une construction privilégiée les supports 19 ne sont que des centreurs et les modules 5 reposent sur le fond 3, dans le cas où il n’y a qu’un seul niveau de modules ou du moins le niveau inférieur. Il faut alors prévoir des passages pour les cannes 15 de diffusion du fluide caloporteur 4.
Dans le mode de réalisation illustré aux figures 2 et 3, avec les modules partiellement immergés, le support 19 peut être remplacé par l’élément de fermeture 21.
L’invention concerne un procédé de stockage d’énergie thermique par un dispositif de stockage d’énergie thermique tel que décrit ci-dessus. Le procédé comprend une étape de charge et une étape de décharge.
Lorsque le dispositif de stockage d’énergie fonctionne pour stocker de l’énergie thermique, étape de charge, le fluide caloporteur 4 apporte de la chaleur dans l’enceinte 1, il y a un échange de chaleur du fluide caloporteur 4 vers le MCP 10 au travers des parois des modules 5. Cette chaleur va permettre la transformation du MCP 10 de la première phase à la deuxième phase qui stockera alors la chaleur issue du fluide caloporteur 4. Lorsque le dispositif fonctionne pour restituer de l’énergie thermique, étape de décharge, le fluide caloporteur 4 refroidit le MCP 10, il y a un échange de chaleur du MCP 10 vers le fluide caloporteur 4 au travers des parois des modules 5, ce qui permet le passage de la deuxième phase à la première phase. Avantageusement, cette transformation est exothermique. La chaleur libérée est récupéré par le fluide caloporteur 4.
Lors de l’étape de charge d’énergie thermique dans le au moins un MCP 10 l’arrivée du fluide caloporteur 4 à haute température est avantageusement réalisée dans la partie supérieure de l’enceinte 1. De cette manière, le fluide caloporteur 4 se refroidit au contact des modules 5 lors de l’échange thermique avec le au moins un MCP 10 contenu dans les modules 5. Préférentiellement, sa sortie hors de l’enceinte 1 se fait par la partie inférieure de ladite enceinte 1. Avantageusement, lors de l’étape de décharge d’énergie thermique depuis le au moins un MCP 10, l’arrivée du fluide caloporteur 4 à basse température est inversée et se fait par la partie inférieure de l’enceinte 1. De cette manière, le fluide caloporteur 4 se réchauffe au contact des modules 5 lors de l’échange thermique avec le au moins un MCP 10 contenu dans les modules 5. Préférentiellement, sa sortie hors de l’enceinte 1 se fait dans la partie supérieure de ladite enceinte 1.
Exemple : Mise en place d’un dispositif de stockage selon l’invention sur un réseau de chaleur urbain.
Considérons une ville dont le réseau de chaleur (circuit primaire) est parcouru par de l’eau chaude (jusqu’à 110°C, 3-4bar).
Soit une sous-station moyenne de la ville :
• 75 logements desservis • 750MWhth fournis sur l’année • Saison de chauffe de 150 jours (en basse saison, seules les sous-stations assurant le chauffage de l’eau chaude sanitaire sont en service ; globalement le réseau fonctionne à moins de 10% de sa capacité totale) • Sous-stations alimentées en eau surchauffée (jusqu’à 180°C, 20bar)
Considérons donc une consommation approximative de 750MWhth/150jrs = 5MWhth/jr, dont 1.5MWhth sont consommés pendant les pics de consommation (-30%) : c’est l’énergie à stocker dans le MCP.
Le MCP sélectionné est un polyol :
• Température de fusion : 93°C • Enthalpie massique de fusion: 260 kJ/kg • Capacité thermique massique à pression constante : -2 kJ/kg/K • Densité solide : 1500 kg/m3 • Densité liquide : 1200 kg/m3
Soit un système de stockage thermique ayant une capacité de 1.5MWh. Avec une enthalpie massique de fusion de 260kJ/kg il faut compter environ 20t du polyol en question.
En considérant des modules en acier inox d’1.6m par 1.4m, d’une épaisseur de 2.6cm, dont 0.2cm de paroi de chaque côté. Le volume utile du MCP liquide est de 1.4m x 1.4m x 2.2cm, soit 43L de MCP par module. Avec une densité de 1.2 à l’état liquide, il faut compter 52kg par module. Soit un réservoir de 400 modules, répartis en 4 rangées de 100 modules (par exemple). En considérant un espace latéral entre chaque module de 0.4cm, il y a donc un module tous les 3cm. Etant donné qu’il y a 100 modules par rangée, il faut prévoir un peu plus de 3.0m de large pour les modules. Etant donné qu’il y a 4 rangées, que chaque module fait 1.4m de long, qu’il est théoriquement possible de les coller les uns aux autres, il faut prévoir 5.6m de long. La hauteur des modules est de 1.6m, avec le ciel gazeux et la distribution hydraulique, ainsi que le calorifuge, il faut prévoir 2.2m de haut.
Le réservoir fait donc 2.2m de haut, un peu plus de 3.0m de large et 5.6m de long. Ce qui rentre dans une pièce de sous-sol de type sous-station d’échange d’un réseau de chaleur urbain. Dans le cas où une telle cuve serait trop grande à faire rentrer dans le local prévu, il est tout à fait envisageable de faire 4 réservoirs de 100 modules chacun, répartis sur une seule rangée, par exemple.
REFERENCES
1. Enceinte
2. Parois latérales
3. Fond
4. Fluide caloporteur
5. Modules
6. Partie supérieure
7. Partie inférieure
8. Face supérieure
9. Axe longitudinal
10. MCP
11. MCP sous forme solide
12. MCP sous former liquide
13. Ouverture
14. Canalisation pour fluide caloporteur
15. Cannes de diffusion de fluide caloporteur
16. Capot
17. Ciel gazeux
18. Atmosphère extérieure
19. Support
20. Collerette
21. Elément de fermeture
22. Renforts
23. Ailettes
24. Paroi latérale
25. fond
Claims (17)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de stockage d’énergie thermique par matériau à changement de phase comprenant :- une enceinte (1) de stockage comprenant des modules (5) de rétention d’au moins un MCP (10), et- des moyens de circulation (14) de fluide caloporteur (4) dans l’enceinte (1) configurés pour l’entrée, la sortie et la circulation du fluide caloporteur (4) dans l’enceinte (1) et autour des modules (5) chaque module (5) comprenant au moins une ouverture (13) dans sa partie supérieure (6), caractérisé en ce que les modules (5) sont entièrement noyés dans le fluide caloporteur (4) contenu dans l’enceinte (1) et le MCP (10) et le fluide caloporteur (4) sont en contact.
- 2. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel le module (5) comprend une face supérieure (8) sur laquelle la au moins une ouverture (13) est agencée.
- 3. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel la au moins une ouverture (13) présente une surface de dimensions inférieures aux dimensions de la face supérieure (8) du module (5).
- 4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le contact entre le fluide caloporteur (4) et le MCP (10) est situé dans les modules (5).
- 5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le MCP (10) et le fluide caloporteur (4) sont compatibles et non miscibles.
- 6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le MCP (10) est un MCP (10) solide /liquide.
- 7. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel la phase liquide et la phase solide sont plus denses que le fluide caloporteur (4).
- 8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les modules (5) sont de formes longitudinales définissant un axe longitudinal.
- 9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les modules (5) sont disposés parallèlement les uns aux autres.
- 10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les modules (5) sont superposés formant deux niveaux de modules (5).
- 11. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’enceinte (1) comprend un volume intérieur et des moyens de maintien des modules (5) au moins partiellement dans ledit volume intérieur.
- 12. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel les moyens de maintien des modules (5) comprennent au moins un support (19) s’étendant suivant une direction principale transversale aux modules (5).
- 13. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel le support (19) est configuré pour permettre la circulation du fluide caloporteur (4) dans l’enceinte (1).
- 14. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les modules (5) comprennent des parois latérales (24) et/ou un fond (25) ondulés ou gaufrés pour augmenter la surface d’échange et pour améliorer la convection côté fluide caloporteur.
- 15. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les Λ modules (5) comprennent des parois latérales (24) et/ou un fond (25) définissant un volume intérieur comprenant des ailettes (23) afin d’améliorer la diffusion thermique dans le MCP (10).
- 16. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel modules (5) comprennent des parois latérales (24) et/ou un fond (25) définissant un volume intérieur comprenant des renforts (22) pour limiter et répartir les efforts au sein des parois du module (5).
- 17. Procédé de stockage d’énergie thermique par un dispositif de stockage d’énergie thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :une étape de charge d’énergie thermique dans le au moins un MCP (10) comprenant l’arrivée du fluide caloporteur (4) à haute température dans la partie supérieure de l’enceinte (1) pour se refroidir au contact des modules (5) lors de l’échange thermique avec le au moins un MCP (10) contenu dans les modules (5) et sa sortie hors de l’enceinte (1) dans la partie inférieure de ladite enceinte (1). et une étape de décharge d’énergie thermique depuis le au moins un MCP (10) comprenant l’arrivée du fluide caloporteur (4) à basse température dans la partie inférieure de l’enceinte (1) pour se réchauffer au contact des modules (5) lors de l’échange thermique avec le au moins un MCP (10) contenu dans les modules (5) et sa sortie hors de l’enceinte (1) dans la partie supérieure de ladite enceinte (1)·
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