Stockage par chaleur latente ou latent heat storage (LHS)

Le stockage par chaleur latente est quant à lui un système de stockage basé sur la quantité de chaleur absorbée ou relâchée lorsqu’un matériau est soumis à un changement de température qui occasionne le plus souvent un seul changement de phase de solide à liquide, de liquide à gaz, ou inversement. Les matériaux de stockage utilisés dans ce cas-ci sont appelés matériaux à changement de phase (MCP). Pour répondre à une demande de chauffage, il est par exemple possible de faire fondre un MCP à l’aide d’une source de chaleur externe en période de basse consommation. Le matériau stocke ainsi la chaleur reçue sous sa forme liquide et la chaleur qui a été emmagasinée au cours de ce processus est finalement absorbée par la charge lors du procédé inverse de solidification. Il est également possible de répondre à une demande de climatisation, toujours en utilisant le mécanisme de changement de phase, mais de manière inversée. Le MCP absorbe ainsi de la chaleur lors de sa liquéfaction, ce qui a pour effet de contribuer à refroidir l’environnement immédiat, diminuant ainsi la charge de climatisation. Il faut cependant noter que tout changement de phase se fait de manière isotherme, c’est-à-dire sans variation de température. À ce moment-là, seule de l’énergie correspondant au changement de phase est absorbée ou libérée. Les MCP sont un très bon moyen de stockage, puisqu’ils sont capables de stocker environ 5 à 14 fois plus de chaleur par unité de volume que les matériaux utilisés pour le stockage sensible (SHS) comme l’eau ou la pierre (Sharma, Tyagi, Chen & Buddhi, 2009). Pour un matériau initialement à une température inférieure à sa température de fusion/solidification et qui est finalement amené à une température finale supérieure à celle-ci, il y aura stockage à la fois sensible et latent. Les variables mises en jeu sont les mêmes que précédemment, avec en plus la chaleur latente de changement de phase Lph

qui a lieu à la température Tph. L’équation donnant la quantité d’énergie stockée est alors (équations 1.3 et 1.4) :

= × × , × + × × + × × , ×

(1.3)

= × × _, × ( − ) + + _, × ( − ) (1.4)

S’il s’avère que deux changements de phase surviennent pendant l’opération, il est alors nécessaire de rajouter de nouveaux termes à la formule, avec une deuxième chaleur latente de changement de phase et un dégagement de chaleur dû à la troisième variation de température. Le principe est aussi applicable de manière inverse pour stocker ou déstocker de l’énergie et peut aussi concerner le changement de phase liquide/vapeur.

Il est important de choisir un matériau ayant une bonne stabilité pour chacune de ses phases, possédant une chaleur latente de changement de phase la plus grande possible, ainsi que des chaleurs massiques de phases les plus élevées possibles, ce qui permet de diminuer la surface d’échange thermique, donc la quantité de matériau utilisée et ultimement le coût de la solution. La température de changement de phase demeure bien sûr un élément clé et doit être comprise dans des plages de températures raisonnables et utilisables pour le système. Le dernier point important concerne la conductivité thermique du matériau, qui doit être grande afin de minimiser le gradient de température requis pour charger le matériau de stockage (Socaciu, 2012).

Cependant, travailler avec des MCP nécessite également de prendre certaines précautions quant à leur utilisation et dans le type de système qui leur est associé. Il est par exemple primordial de travailler avec des petits volumes de stockage et faire attention à ce que le changement de phase n’occasionne pas de trop grandes variations de volume et de pression, ce qui rendrait le système trop complexe à utiliser, notamment pour le dimensionnement du réservoir. C’est d’ailleurs le cas pour les transformations aboutissant à des phases gazeuses, la quantité de chaleur de changement de phase est grande, mais occasionne des variations de

volumes importants, ce qui rend les systèmes difficilement utilisables (Ataer, 2006). Il faut également veiller à utiliser des MCP non inflammables, non explosifs et surtout non corrosifs, pour éviter de rendre leur utilisation dangereuse à la fois pour les techniciens et pour la durée de vie du matériel de stockage tel que le conteneur (Socaciu, 2012). De plus, le matériel de stockage de chaleur par LHS est plus onéreux que celui par SHS, de par son besoin de résister aux changements de phases fréquents, il est donc important de bien choisir le MCP utilisé dans ce type de stockage.

Il existe principalement trois types de matériaux à changements de phases : les MCP organiques, dont les paraffines, les acides gras, esters et alcools, et les MCP inorganiques, comme les sels hydratés et les métaux. La dernière catégorie est celle des MCP eutectiques, qui sont l’association de deux composants ou plus, organiques ou non organiques, et qui forment un mélange lors de la cristallisation (Sharma, Tyagi, Chen & Buddhi, 2009 ; Dutil, Rousse, Ben Salah, Lassue & Zalewski, 2011). Les MCP les plus typiques commercialisés actuellement sont les paraffines, comme le RT26 par exemple, qui possèdent une grande chaleur latente de fusion, d’environ 250 kJ/kg (Socaciu, 2012). Cependant, un des MCP les plus répandu également est une nouvelle fois l’eau, puisqu’elle est n’est pas chère, abondante, non toxique et qu’elle présente des bonnes caractéristiques pour ce fonctionnement, notamment sous la forme de banque de glace, qui absorbe la chaleur lors de sa fusion puis la restitue. En effet, convertir 1 kg d’eau en glace à 0°C permet de récupérer 152 kJ de chaleur, qui pourraient être utilisé pour le chauffage. De la même manière, si 1 kg de glace à 0°C absorbe en tout 152 kJ de chaleur pendant une certaine durée, elle se transforme en eau, ce qui permet par exemple de refroidir l’air qui pourrait ensuite être utilisé pour la climatisation. Les quantités d’énergie en jeu ici sont intéressantes. En effet, un réservoir de 10 m3 _{d’eau (soit}

10 000 kg d’eau) permettrait d’absorber ou de libérer environ 422 kWh sur un cycle de plusieurs heures par le changement de phase d’eau en glace ou inversement. Cependant, il faut noter que la glace met plus de temps à se reformer qu’à fondre, il est donc nécessaire de prendre en compte cette durée supplémentaire. S’il s’avère que le système est suffisamment bien dimensionné pour pouvoir contenir de l’eau à vapeur saturante, lorsque l’eau se transforme en

vapeur ou inversement, la chaleur latente de changement de phase est d’environ 2 MJ soit environ 0,55 kWh par kilogrammes d’eau (Dincer & Rosen, 2002).

Finalement, le stockage de chaleur à l’aide des MCP est une technique tout de même plus prometteuse que le stockage par SHS, puisque les quantités d’énergie mises en jeu sont plus conséquentes, malgré un prix plus élevé. Il faut cependant dans un premier temps trouver un système capable de réaliser de grands nombres de cycles, et donc capable de contrer les problèmes de dégradation du matériel qui rendent la période d’utilisation d’un conteneur de MCP plutôt courte. Il faut aussi un matériau qui n’induit pas de surfusion de manière à pouvoir compter sur une température de fusion effective près de la valeur théorique. Ce type de stockage requiert aussi une remorque supplémentaire dans le transport des spectacles itinérants du CDS.