Systèmes de stockage thermique

L’état de l’art sur les études numériques révèle que les systèmes de stockage thermique ne sont pas systématiquement pris en compte. Surdimensionnés, il s’avère qu’ils procurent une flexibilité en permettant de dé-corréler la production et la consommation énergétique : des besoins électriques peuvent être couverts tout en stockant la chaleur cogénérée pour une utilisation ultérieure. Un système de stockage thermique permet également de jouer un rôle tampon en évitant les phénomènes de courts cycles. Cependant, un ballon surdimensionné majore les pertes thermiques et les coûts d’investissement.

VI.1.2.2.1. Technologies de stockage thermique

Une veille technologique des systèmes de stockages thermiques compatibles avec une application de micro cogénération a été réalisée sur la base des travaux de Hongois [HON11]. Le tableau VI.1 en réalise la synthèse.

Tab.VI.1 – Etat de l’art des technologies de stockage thermique.

Type de stockage Technologie Avantages Inconvénients

Sensible ^{Réservoir de matériaux} (eau, béton, roche, etc.)

-coût

-simplicité technique

-faible densité énergétique -pertes thermiques

Latent Réservoir de MCP*

- stockage à température ambiante - stockage intersaisonnier

- haute densité énergétique

-coût des matériaux -complexité technique -coût Chimique (hydratation, sorption, carbonatation, hydrogénation, etc.) Réservoir de réactifs (sorbant/desorbant sel hygroscopique, etc.)

- stockage à température ambiante - stockage intersaisonnier

- haute densité énergétique

- cinétique chimique lente -complexité technique -coût

VI.1.2.2.2. Choix des technologies pour la plateforme numérique MICOBât_e

L’état de l’art sur les études numériques appliquées à la micro cogénération réalisé au Chapitre II a montré que le choix des technologies s’est porté dans la majorité des cas sur un stockage sensible par ballon d’eau chaude. Seuls Mongibello et al. [MON13] mettent en œuvre un stockage latent. Le choix a été fait ici d’intégrer uniquement une technologie de stockage thermique sensibles par ballon d’eau chaude de manière à conserver des technologies classiques et matures. L’objectif principal est d’évaluer l’intérêt de remplacer des générateurs thermiques par des micro cogénérateurs. L’opportunité d’employer d’autres technologies de stockage peut être intéressante mais sort du cadre de cette thèse. Cependant, il est à noter que le stockage intersaisonnier pourrait présenter un intérêt dans le cadre d’un couplage avec un micro cogénérateur. En effet, la charge thermique estivale d’un micro cogénérateur est faible en raison de l’absence de charges de chauffage. Si les besoins de climatisation sont trop faibles pour envisager une technologie de trigénération, un stockage intersaisonnier permettrait alors de couvrir les besoins électriques annuellement. Le surplus de chaleur produit pendant la période estivale pourra être sollicité pendant la période hivernale en remplacement d’un éventuel appoint thermique. Cette stratégie pourra également permettre de sousdimensionner le micro cogénérateur et le générateur thermique d’appoint voire de s’affranchir de ce dernier.

Enfin les technologies de stockage par ballons présentent des performances thermiques variables. Par exemple, l’entreprise Sotralentz commercialise des ballons dont la conception a été optimisée pour limiter les pertes thermiques linéiques et surfaciques [SOT15]. L’entreprise allemande Hummelsberger

est une des seules à proposer des ballons d’eau chaude isolées sous vide [HUM15]. Au final, la

technologie de stockage thermique par ballon d’eau chaude implémentée dans la plateforme MICOBât_e présente trois niveaux de performance thermique :

moyennement efficace : stockage par ballon métallique avec une isolation dite « standard » (IS) de 5 à 10 cm (laine minérale ou mousse polyuréthane) respectant la norme DIN V 4753–8 [DIN11-2], efficace : stockage par ballon métallique avec une isolation dite « renforcée » (IR) de 15 à 20 cm de mousse polyuréthane ou équivalent (configuration par défaut dans la plateforme MICOBât_e), très efficace : stockage par ballon métallique avec une isolation par double paroi sous vide (IV). La figure VI.2 donne les temps de décharge normalisés de chaque type de ballon ramenés à un volume de référence de 1 m3. La figure VI.2 donne également les épaisseurs et les conductivités thermiques de l’isolant à renseigner dans le modèle numérique. Ces calculs sont adaptés selon les spécifications constructeurs : ThermoLentz [SOT15] pour la variante « IR » et Hummelsberger [HUM15] pour la variante « IV ».

Fig. VI.2 – Décroissance de température normalisée selon l’isolation du ballon d’eau chaude.

20 30 40 50 60 70 80 90 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 T em p ér at u re d u b al lo n [ °C ] temps de décharge [j] IS IR IV eis = 10 cm is= 0,005 W.m-1.K-1 eis = 20 cm is= 0,025 W.m-1.K-1 eis = 10 cm is= 0,04 W.m-1.K-1 p

VI.1.2.2.3. Modèles numériques

Au niveau de la modélisation numérique des ballons d’eau chaude plusieurs approches sont envisageables. Andlauer [AND11] et Blandin [BLA10-2] en proposent un état de l’art. Six typologies de modèles se distinguent et le tableau VI.2 en réalise la synthèse. En particulier, ce tableau positionne les modèles employés par les auteurs cités lors de l’état de l’art du Chapitre II où la question du stockage n’a pas été approfondie.

Tab.VI.2 – Synthèse des modèles numériques de ballons d’eau chaude.

Modèle nodal

Modèle zonal Modèle neuronal Modèle CFD

Typologies Modèle idéal « brassé » ^{Modèle idéal} « stratifié »

Modèle à couches (ou strates)

Schéma de principe

Approche Physique Physique Semi-physique Semi-physique ^Empirique

(intelligence artificielle) ^Physique

Description ^{-1 volume de contrôle} - modèle isotherme -écoulement « piston » -stratification parfaite (thermocline idéale) -discrétisation 1D en couches horizontales -couches isothermes -couches identiques -injection fixe ou sur la strate à la température la plus proche, -discrétisation 2D/3D -zones isothermes -bilans thermiques et massiques -plans d’écoulement prédéfinis

- modélisation basée sur des données expérimentales

-équations de Navier – Stokes des milieux anisothermes

Précision -- - _{(position des ports)} ⁺

++ (position des ports, jets d’injection et de soutirage) ++ +++ (jets d’injection, soutirages, turbulence, 2D/3D) Compatibilité STDA ^{+++ +++} + / ++ (selon le nombre de couches) - / + (selon le nombre de zones) -

(temps de calcul pour l’apprentissage supervisé) --- (temps de calculs) Paramétrage +++ +++ ++ + (paramètres, plan d’écoulement) -

(couches cachées, nœuds par couche, etc.)

--

(maillage, modèles de turbulence) Etat de l’art des

études numériques (cf. Chapitre II) [PEA06][PEA07][HAW07] [HOU07] [MAT08][COL09][TEU11][TEY11] [BIA12][BIA13][BUO12][BAR13]* [MON13][MER15] [VAN14] [DOR09] [THI10]( type 340) [ROS13](type 60f) thermocline idéale

VI.1.2.2.4. Choix du modèle

L’objectif est de réaliser des simulations annuelles avec un compromis entre la précision et le réalisme des modèles utilisés et le temps de calcul qui doit être raisonnable (< 1h). Le modèle du système de stockage thermique doit donc remplir les objectifs suivants :

compatibilité avec des simulations annuelles, modélisation de la stratification,

calculs des pertes thermiques,

conditions aux limites (entrées et sorties du modèle) compatibles avec les modèles de micro cogénérateurs et les modèles de besoins thermiques :

o débits d’injection et de soutirage, o températures d’entrée et de sortie.

paramétrage limité à des grandeurs physiques et accessibles: o dimensions (hauteur et diamètre),

o conductance thermique des parois,

o nombre de ports (entrée eau froide, départ/retour production, départ/retour chauffage, départ ECS),

o position des ports,

o volume simulé de 0,1 à 5 m3.

Ainsi, le choix s’est porté sur un modèle nodal semi-physique à 20 couches maximum. TRNSYS propose principalement six modèles numériques de réservoirs cylindriques (types 4, 60, 74, 140, 340 et 534) au sein de sa bibliothèque. Les variantes proviennent de la présence ou non d’échangeurs internes, (jusqu’à 5), de résistances électriques, d’un brûleur d’appoint ou d’un ballon intégré (ballon manteau ou « tank in tank »). Les types 340 et 534 sont les modèles les plus complets : ils sont universels, capables de simuler un volume de stockage allant de 0,1 à plusieurs mètres cubes, intègrent un appoint électrique et un maximum de 10 double ports. Ces modèles distinguent deux modes d’injection :

injection dans une strate fixe (librement choisie par l’utilisateur selon les règles de l’art ou des spécifications des constructeurs),

injection dans une strate à niveau de température le plus proche (canne de stratification).

Au final, le « type 534 » répond le mieux aux différentes contraintes et est intégré à la plateforme numérique. De plus, Andlauer [AND11] précise que ce modèle présente la meilleure stabilité au niveau de la convergence du bouclage du bilan énergétique (premier principe de la thermodynamique). Enfin, il est à noter que la modélisation d’un ballon d’eau chaude par une méthode nodale implique une multitude de paramètres qu’il faut renseigner judicieusement : emplacement des ports, des échangeurs, taille des échangeurs, taille du ballon, volume du ballon, isolation du ballon) (cf. §VI.3.2.3).

VI.1.2.2.5. Géométrie des ballons de stockage

La géométrie des ballons de stockage considérés comme cylindriques est un paramètre important du modèle à renseigner. En effet, la dimension caractéristique de la stratification du ballon est sa hauteur d’où l’importance de la caractériser précisément. Cependant, à volume fixé, le couple hauteur/diamètre peut être déterminé arbitrairement. Pour y remédier, une étude de marché sur une cinquantaine de références a permis d’identifier une corrélation reliant le volume et la hauteur des ballons de stockage (cf. Fig. VI.3). Il suffit alors de renseigner le volume désiré et la hauteur selon l’équation VI.1.

Fig. VI.3 – Corrélation géométrique des ballons de stockage. VI.1.2.2.6. Montages hydrauliques

Différentes configurations hydrauliques sont possibles au niveau du couplage entre la production du micro cogénérateur et/ou de l’appoint, la consommation du bâtiment et le système de stockage. Le tableau VI.3 en réalise la synthèse.

Tab. VI.3 - Synthèse des montages hydrauliques.

Tout stockage – 1 ballon

[HOU07] [MAT08] [ALA10] [THI10] [BIA12][BIA13][BAR13] [MON13] [ROS13]

[CAO14] [VAN14][ALA15]

Stockage ECS – 1 ballon

[BO106] [GAH07] Stockage chauffage – 1 ballon

Tout stockage – 1 ballon manteau (« tank in tank »)

Tout stockage – 2 ballons

[COL09][GON14] Pas de stockage

L’état de l’art réalisé au Chapitre II montre que peu d’auteurs donnent des précisions sur la configuration mise en œuvre. Parmi les études recensées, seuls Thiers et al. [THI10], Rosato et al. [ROS13], Gonzales-Pino et al. [GON14] et Alahäivälä et al. [ALA15] donnent en détail la configuration hydraulique adoptée. De plus, la première configuration est la plus plébiscitée dans la littérature.

Il s’avère qu’un stockage global pour le chauffage et l’ECS apporte de la simplicité et de la flexibilité pour corréler au mieux la production micro cogénérée aux besoins énergétiques. Cependant, la production accumulée d’ECS impose une température de stockage de l’ordre de 55 à 60 °C pour assurer un confort thermique et pour des aspects sanitaires (légionnelles). Or ces niveaux de températures peuvent s’avérer trop élevés selon la loi de régulation de chauffage (loi d’eau) et l’émetteur de chaleur en place (plafond chauffant, plancher chauffant basse température, radiateurs, convecteurs, etc.). De plus, le niveau de température de retour peut avoir une influence sur les rendements du micro cogénérateur et notamment sur le rendement électrique (cf. Chapitre III par rapport aux moteurs Stirling et aux technologies à condensation). Il peut être intéressant d’utiliser un ballon dédié à la production d’ECS (deuxième configuration), notamment lorsque l’émetteur est une dalle active ou un plancher chauffant qui offrent une forte inertie et donc une capacité de stockage naturelle ou lorsque les niveaux de température pour le chauffage requis sont plus faibles (régimes 50/30 °C ou 40/30 °C). A l’inverse, la production d’ECS impose des niveaux de température importants avec des pertes par transmission inhérentes. Il peut y avoir un

R² = 0,824 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 H au te u r [m ] Volume [l]

intérêt d’opter pour une production d’ECS instantanée (troisième configuration). L’utilisation d’un ballon manteau apporte un compromis sur les aspects évoqués précédemment : il permet de limiter les pertes thermiques et d’ajuster au mieux la température du ballon de chauffage et d’ECS qui peuvent donc être différentes (réduction des pertes thermiques et maximisation du rendement du micro cogénérateur) (quatrième configuration). L’utilisation de deux ballons de stockage indépendants permet d’ajuster au mieux les niveaux de températures et les capacités en fonction des besoins d’ECS et de chauffage. Cette configuration augmente les pertes par rapport au ballon manteau mais permet une régulation plus aisée car chaque ballon est indépendant (cinquième configuration). Il est à noter que cette configuration a été adoptée par deux auteurs et est intéressante lorsque les émetteurs de chauffage sont de type « basse température », cependant cette configuration implique des coûts d’investissement plus élevés. Enfin, la dernière configuration n’utilise aucun système de stockage : la production est instantanée au fil des besoins thermiques. Cette configuration n’offre aucune flexibilité mais a l’avantage d’être moins coûteuse à l’investissement.

Ces aspects hydrauliques sont donc peu étudiés et méritent d’être évalués. Toutes les six configurations ont été considérées dans la plateforme numérique MICOBât_e de manière à pouvoir réaliser des études comparatives