Chauffage de l’habitacle par une batterie thermique à base de MCPs

La batterie thermique est une unité de stockage contenant une quantité de MCP capable d’échanger de la chaleur au passage d’un fluide caloporteur. Ce système a été exploité dans beaucoup d’applications industrielles notamment dans le secteur du bâtiment et tout récemment dans le secteur automobile.

5.1 Echangeur-stockeur

L’entreprise Valeo a déjà développé quelques types de batteries thermiques. Ces systèmes, représentés sur la Figure 12, sont composés d’échangeurs eau/huile ou eau/air, dont la partie parcourue normalement par l’air ou l’huile a été rempli de MCP. On les appelle également échangeur-stockeur car ils ont la double fonction d’échanger (absorber/restituer) et de stocker l’énergie thermique.

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Figure 12 – Représentation des batteries thermiques existantes (source Valeo)

Pour des raisons de confidentialité, les études menées sur ces batteries n’ont pas été publiées mais les résultats (en interne) ont montré que ces batteries pouvaient être optimisées. En effet, en supprimant les parois en aluminium qui maintiennent le MCP dans la batterie, le volume pouvant accueillir du MCP serait plus grand. Des calculs ont montrés qu’à iso- volume, la capacité de stockage d’énergie serait supérieure de 15 % par rapport à la capacité actuelle.

Pour atteindre ce chiffre, 3 voies sont envisagées :

- Développer une mini-encapsulation du MCP adaptée aux températures de fonctionnement et compatible avec la nature du liquide de refroidissement.

- Améliorer la capacité de stockage du MCP

- Développer une paroi composite super-isolante pour conserver l’énergie emmagasinée

5.2 Batterie thermique à lit fixe

La solution que nous proposons pour le chauffage de l’habitacle est de développer une batterie thermique composée d’un lit fixe de particules de MCPs. Si ce procédé a déjà été étudié et utilisé dans un grand nombre d’applications industrielles, il n’a jamais été exploité dans le secteur automobile.

( 3 x oppus 100 )

Batterie à plaques Batterie à tubes

Batterie à tubes et ailettes de radiateurs

35 La batterie thermique constituera l’accumulateur de chaleur au sein de notre véhicule permettant d’assurer le confort thermique dans l’habitacle. Elle sera chargée en particules de MCPs de tailles millimétriques et sera intégrée dans un circuit fermé dans lequel circulera un fluide caloporteur (cf. Figure 13).

Figure 13 – Schéma de principe d’un circuit de chauffage intégrant une batterie thermique

La charge thermique (ou la phase de stockage) de la batterie s’effectuera lorsque le véhicule sera éteint et en cours de chargement électrique. Le fluide caloporteur récupèrera la chaleur générée par une résistance électrique pour la transférer au lit de particules par convection.

La décharge thermique s’opérera pendant l’utilisation du véhicule. Le fluide caloporteur récupèrera la chaleur emmagasinée dans la batterie thermique puis la libèrera à un échangeur liquide-air. Celui-ci réchauffera l’air insufflé dans l’habitacle provenant de l’extérieur. La Figure 14 illustre le fonctionnement du système de charge/décharge de l’unité de stockage au sein du véhicule.

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Figure 14 – Principe de fonctionnement du stockage/déstockage

La batterie électrique ne servira qu’au déplacement du véhicule même si une partie de l’énergie quasi-négligeable sera nécessaire pour la circulation du fluide au sein du circuit. Par conséquent, l’autonomie du véhicule ne sera pas pénalisée.

Comparativement aux échangeurs-stockeurs, le lit fixe de particules est plus performant notamment en termes de transfert thermique et de capacité de stockage. Listons les principales caractéristiques de ce système :

1) La taille de la particule du MCP permet d’avoir un rapport surface/volume élevé ce qui permet d’optimiser les échanges thermiques et d’accroître la capacité de stockage 2) La taille de la particule permet également d’augmenter la compacité de la batterie 3) La forme sphérique des particules augmente les surfaces d’échange permettant ainsi

d’intensifier les transferts thermiques

4) La configuration du lit permet d’uniformiser la distribution de la température au passage du fluide caloporteur

5) La cinétique de charge/décharge thermique est optimisée 6) L’encapsulation du MCP empêche les fuites

7) La forme cylindrique de la batterie permet de réduire les pertes thermiques

Par ailleurs, dans la littérature une multitude de batteries thermiques à lit fixe de particules de MCPs ont été développées et étudiées pour différentes applications. Dans le

37 secteur du bâtiment, on utilise des systèmes à base de MCP pour assurer un meilleur confort pour les habitants. Par exemple, Arkar et Medev [22] ont développé un dispositif de refroidissement naturel pour un immeuble à faible consommation d’énergie en utilisant un système de ventilation mécanique composé de deux batteries thermiques, l’une pour le refroidissement de l’air approvisionné (cf. Figure 15) et l’autre pour le refroidissement de l’air intérieur de recirculation. Ces deux systèmes contiennent des sphères de MCP encapsulées (paraffine RT20).

Figure 15 – Système de refroidissement de l’air approvisionné (Arkar et Medved [22])

Afin d’alimenter en eau chaude les sanitaires, on peut également utiliser des grandes cuves remplies de MCPs qui jouent le rôle de stockeur de chaleur. Ce type de système a été développé par Bédécarrats et al. [23] qui présentent l’étude expérimentale des performances d’une batterie de hauteur 1.4 m et composé de capsules de MCPs de diamètre 8 cm.

Les centrales solaires exploitent aussi ce procédé soit en restituant la chaleur stockée soit en la transformant en énergie électrique via des turbines. Ma et al. [24] ont développé un système de stockage thermique utilisant des particules de MCPs intégré dans une centrale d’énergie solaire. L’énergie thermique récupérée est utilisée pour produire de l’électricité.

Nallusamy et al. [25] ont intégré une batterie thermique à un bain de température constante qui est relié à un collecteur solaire.

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