Qu’est-ce que le stockage d’énergie thermique ?

Le stockage d'énergie thermique (TES) est une technologie qui permet de stocker et de restituer de la chaleur ou du froid ultérieurement. Le TES peut être utilisé pour équilibrer l’offre et la demande d’énergie, en particulier à partir de sources renouvelables telles que solaire et le vent, qui sont intermittents et variables. TES peut également améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments, des industries et des centrales électriques, en réduisant la charge de pointe et en améliorant les performances des systèmes de chauffage et de refroidissement. Le TES peut contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre, à réduire les coûts énergétiques et à accroître la fiabilité et la résilience des systèmes énergétiques.

TES a de nombreuses applications dans différents secteurs et régions, telles que :

• Chauffage et refroidissement des bâtiments, par TES saisonniers ou TES diurnes
• Production d'électricité, utilisant l'énergie solaire concentrée (CSP) ou la production combinée de chaleur et d'électricité (CHP)
• Processus industriels, utilisant la récupération de chaleur résiduelle ou l'intégration de la chaleur de procédé
• Transport, utilisant un entrepôt frigorifique pour les aliments ou un stockage de glace pour la climatisation
• Agriculture, utilisant le chauffage des serres ou le séchage des récoltes

Dans cet article de blog, nous explorerons les différents types de TES, leurs avantages et inconvénients, ainsi que quelques exemples de matériaux et de technologies utilisés pour chaque type. Nous discuterons également du potentiel et des défis du TES pour l’avenir des systèmes énergétiques.

Types de stockage d'énergie thermique

Les TES peuvent être classés en trois catégories, en fonction de la manière dont la chaleur est stockée et libérée : chaleur sensible, chaleur latente et stockage de chaleur thermochimique.

• Le stockage de chaleur sensible est le type de TES le plus courant et le plus simple, dans lequel la chaleur est stockée en augmentant ou en abaissant la température d'un milieu liquide ou solide, tel que l'eau, les sels fondus, les métaux ou les roches. La quantité de chaleur stockée dépend de la masse, de la chaleur spécifique et de la différence de température du milieu. Le stockage de chaleur sensible a une faible capacité de stockage, mais un rendement élevé, un faible coût et une sécurité élevée.
• Le stockage de chaleur latente est un type de TES plus avancé, dans lequel la chaleur est stockée en modifiant la phase d'un matériau, comme la fusion, la congélation, la vaporisation ou la condensation. Le matériau est appelé matériau à changement de phase (PCM). La quantité de chaleur stockée dépend de la masse, de la chaleur latente et de la température de transition de phase du PCM. Le stockage de chaleur latente a une capacité de stockage élevée, mais un faible rendement, un coût élevé et une faible sécurité.
• Le stockage thermochimique de la chaleur est le type de TES le plus nouveau et le plus complexe, dans lequel la chaleur est stockée en cassant ou en formant des liaisons chimiques lors d'une réaction réversible, telle que l'hydratation, la déshydratation, l'oxydation ou la réduction. Le matériau est appelé matériau thermochimique (MTC). La quantité de chaleur stockée dépend de la masse, de l'enthalpie et de la constante d'équilibre de la réaction. Le stockage de chaleur thermochimique a une capacité de stockage très élevée, mais un rendement très faible, un coût très élevé et une sécurité très faible.

Dans les sections suivantes, nous discuterons plus en détail de chaque type de TES et fournirons quelques exemples de matériaux et de technologies utilisés pour chaque type.

!Stockage sensible de la chaleur)

Stockage judicieux de la chaleur

Le stockage de chaleur sensible est le type de TES le plus largement utilisé, car il est simple, fiable et économique. Le principe du stockage de chaleur sensible est d'emmagasiner de la chaleur en augmentant ou en diminuant la température d'un milieu liquide ou solide, sans changer sa phase. La chaleur peut être libérée en inversant le processus, c'est-à-dire en diminuant ou en augmentant la température du milieu.

L’option la plus courante et la plus largement utilisée pour le stockage de chaleur sensible est le réservoir d’eau, qui peut stocker de l’eau chaude ou froide à des fins de chauffage ou de refroidissement. Les réservoirs d'eau peuvent être classés en deux types : stratifiés et mixtes. Les réservoirs d'eau stratifiés ont une couche d'eau chaude au-dessus d'une couche d'eau froide, séparées par une thermocline. Les réservoirs d'eau mélangée ont une température uniforme dans tout le réservoir, obtenue en remuant ou en pompant l'eau. Les réservoirs d'eau stratifiés ont une capacité de stockage et une efficacité plus élevées que les réservoirs d'eau mélangée, mais ils nécessitent une conception et un fonctionnement plus soignés pour maintenir la stratification.

Certaines options alternatives pour le stockage de chaleur sensible sont les sels fondus, les métaux ou le stockage souterrain d'énergie thermique (UTES). Les sels fondus sont des mélanges de sels qui fondent à haute température, comme le nitrate de sodium et le nitrate de potassium. Ils peuvent stocker la chaleur à des températures allant jusqu'à 600°C et sont utilisés pour les installations CSP. Les métaux sont des matériaux qui ont une conductivité thermique et une chaleur spécifique élevées, comme l'aluminium, le cuivre ou l'acier. Ils peuvent stocker la chaleur à des températures allant jusqu’à 1000 90 °C et sont utilisés dans les processus industriels. L'UTES est une méthode de stockage de chaleur dans le sol, à l'aide de forages, d'aquifères ou de cavernes. Il peut stocker la chaleur à des températures allant jusqu’à XNUMX°C et est utilisé pour le chauffage et le refroidissement saisonniers des bâtiments.

!Stockage de chaleur latente)

Stockage de chaleur latente

Le stockage de chaleur latente est un type de TES plus avancé, car il peut stocker plus de chaleur dans un volume plus petit et à une température constante. Le principe du stockage de chaleur latente est de stocker la chaleur en modifiant la phase d'un matériau, comme la fusion, la congélation, la vaporisation ou la condensation. Le matériau est appelé matériau à changement de phase (PCM). La chaleur peut être libérée en inversant le processus, c'est-à-dire en ramenant la phase du matériau à son état d'origine.

Les principaux défis et opportunités liés à l’utilisation du PCM pour TES sont :

• Trouver des PCM appropriés présentant une chaleur latente élevée, un faible coût, une stabilité élevée et un faible impact environnemental
• Améliorer la conductivité thermique et le transfert de chaleur du PCM, qui sont généralement faibles et lents
• Intégration du PCM à d'autres composants et systèmes, tels que des échangeurs de chaleur, des tuyaux, des pompes ou des conteneurs

Voici quelques exemples de types et d'applications PCM :

• La glace est un MCP qui gèle et fond à 0°C et possède une chaleur latente de 334 kJ/kg. Il peut être utilisé pour l'entreposage frigorifique ou la climatisation, en utilisant des réservoirs de glace, du coulis de glace ou des systèmes de glace sur serpentin.
• La paraffine est un MCP qui fond et se solidifie à différentes températures, en fonction de la longueur de la chaîne carbonée, et possède une chaleur latente de 200 à 250 kJ/kg. Il peut être utilisé pour chauffer ou refroidir, en utilisant des capsules, des panneaux ou des tubes de paraffine.
• Les hydrates de sel sont des PCM qui se déshydratent et s'hydratent à différentes températures, selon le type et la composition du sel, et ont une chaleur latente de 250 à 500 kJ/kg. Ils peuvent être utilisés pour le chauffage ou le refroidissement, en utilisant des composites d'hydrate de sel, des granulés ou des briques.

!Stockage de chaleur thermochimique)

Stockage de chaleur thermochimique

Le stockage thermochimique de la chaleur est le type de TES le plus nouveau et le plus complexe, car il peut stocker de très grandes quantités de chaleur pendant de très longues périodes, sans aucune perte de chaleur. Le principe du stockage thermochimique de la chaleur est de stocker la chaleur en brisant ou en formant des liaisons chimiques lors d'une réaction réversible, telle que l'hydratation, la déshydratation, l'oxydation ou la réduction. Le matériau est appelé matériau thermochimique (MTC). La chaleur peut être libérée en inversant la réaction, c'est-à-dire en formant ou en rompant les liaisons chimiques.

Les principaux avantages et limites de l’utilisation du stockage thermochimique pour le TES sont :

• Capacité et densité de stockage très élevées, car la chaleur est stockée sous forme d’énergie chimique, bien supérieure à l’énergie thermique.
• Très faibles pertes de chaleur, car la chaleur est stockée sous forme de produits chimiques, stables et inertes
• Température de stockage très élevée, car la chaleur est dégagée par des réactions exothermiques, pouvant atteindre 1000°C
• Efficacité et puissance très faibles, car la chaleur est libérée par des réactions lentes et complexes, qui nécessitent des catalyseurs et des réacteurs
• Coût et risque très élevés, car les matériaux et technologies sont coûteux et dangereux

Voici quelques exemples de systèmes et de matériaux de stockage thermochimiques :

• Les hydrures métalliques sont des TCM qui absorbent et libèrent de l'hydrogène à différentes températures et pressions, en fonction du type et de la composition du métal, et ont une enthalpie de 20 à 200 kJ/mol. Ils peuvent être utilisés pour le chauffage ou le refroidissement, en utilisant des lits d'hydrure métallique, des réacteurs ou des réservoirs.
• La sorption est un processus qui implique l'adsorption ou l'absorption d'un gaz ou d'un liquide par un solide ou un liquide, comme l'eau, par des zéolites ou des sels. Il peut stocker de la chaleur à différentes températures et pressions, en fonction du type et de la concentration du sorbant et du sorbate, et avoir une enthalpie de 50 à 500 kJ/kg. Il peut être utilisé pour le chauffage ou le refroidissement, en utilisant des refroidisseurs à sorption, des pompes à chaleur ou des modules.
• La synthèse du méthanol est une réaction qui convertit le dioxyde de carbone et l'hydrogène en méthanol et en eau, et vice versa. Il peut stocker de la chaleur à des températures de 200 à 300°C et à des pressions de 50 à 100 bars, et avoir une enthalpie de 90 kJ/mol. Il peut être utilisé pour la production d’électricité, en utilisant des réacteurs de synthèse de méthanol, des turbines ou des piles à combustible.

Conclusion

Dans cet article de blog, nous avons découvert les différents types de TES, leurs avantages et inconvénients, ainsi que quelques exemples de matériaux et de technologies utilisés pour chaque type. Nous avons également discuté du potentiel et des défis du TES pour l’avenir des systèmes énergétiques.

TES est une technologie prometteuse qui peut contribuer à créer un avenir durable et propre, en permettant l'intégration de sources d'énergie renouvelables, en améliorant l'efficacité énergétique des bâtiments, des industries et des centrales électriques, et en réduisant les émissions de gaz à effet de serre, les coûts énergétiques et les enjeux de fiabilité et de résilience des systèmes énergétiques.

Cependant, le TES est également confronté à de nombreux obstacles techniques, économiques et sociaux, tels que le manque de normalisation, de réglementation et de sensibilisation, l'investissement initial et les coûts opérationnels élevés, ainsi que les risques liés à la sécurité et à l'environnement. Par conséquent, davantage de recherche et développement, de démonstration et de déploiement, ainsi que de soutien politique et commercial sont nécessaires pour surmonter ces défis et promouvoir l’adoption et la diffusion du TES.