Introduction
Les pompes à chaleur connaissent un essor rapide, constituant un moyen efficace de lutter contre le réchauffement climatique et de promouvoir la neutralité carbone. Elles peuvent ainsi remplacer les systèmes de combustion à combustibles fossiles. Leur rendement s'est amélioré, mais leur progression ralentit. Pour améliorer encore leur efficacité, le recours à des systèmes performants de transfert et de stockage de chaleur, outre l'amélioration du rendement des équipements eux-mêmes, permet de fournir un refroidissement et un chauffage performants, ainsi qu'une production d'eau chaude sanitaire en fonction des besoins et de la quantité souhaitée.
Avantages du stockage de chaleur
Le stockage de chaleur consiste à stocker l'énergie thermique. Le sol et les surfaces aquatiques peuvent être considérés comme des matériaux de stockage de chaleur à grande capacité, car ils stockent l'énergie solaire et atmosphérique. Le stockage de chaleur présente de nombreux avantages, comme suit :
La capacité de l'équipement source de chaleur peut être réduite et il est possible de compenser le déséquilibre temporel de l'utilisation de la chaleur, grâce à l'utilisation d'une grande quantité de chaleur, qui est stockée avec une petite capacité, au moment de la demande maximale.
La consommation d'électricité peut être nivelée entre la nuit et le jour, grâce au stockage de chaleur en utilisant l'électricité la nuit lorsque la consommation d'électricité est faible, et à l'utilisation de la chaleur pendant le fonctionnement de jour pour réduire la consommation d'électricité.
Un fonctionnement efficace est possible grâce à l'exploitation de la différence de température entre le jour et la nuit, ainsi qu'au stockage de chaleur. Par exemple, en été, lorsque la température nocturne est plus basse que pendant la journée, la chaleur de la glace est efficacement stockée, puis utilisée pour le refroidissement pendant la journée afin de réduire la température de condensation et d'optimiser le fonctionnement.
Le confort peut être amélioré grâce à l'installation d'un accumulateur de chaleur dans l'unité extérieure de la pompe à chaleur. Par exemple, la chaleur peut être utilisée pour éviter une baisse de température ambiante due au dégivrage pendant le chauffage, et pour évacuer rapidement l'air chaud au démarrage du chauffage.
L’utilisation des énergies renouvelables telles que l’énergie solaire, la géothermie et la chaleur résiduelle des usines devient plus facile grâce à l’utilisation du stockage de chaleur.
Types de stockage de chaleur
Il existe différentes méthodes de stockage de la chaleur.
Le stockage de chaleur sensible est une méthode largement répandue qui stocke l'énergie thermique en exploitant les variations de température des liquides comme l'eau et des solides comme les briques et le béton. Par exemple, le stockage de chaleur sensible avec de l'eau est utilisé pour les pompes à chaleur air-eau (ATW) destinées au chauffage de l'eau et des locaux. Prenons l'exemple des bâtiments en béton : plafonds, sols, murs, etc., sont utilisés comme matériaux de stockage de chaleur. La densité de stockage de chaleur sensible étant relativement faible, la quantité de chaleur stockée est augmentée par l'augmentation de la différence de température du matériau de stockage.
Le stockage de chaleur à changement de phase, ou stockage de chaleur latente, est une méthode de stockage de la chaleur grâce à l'énergie thermique dissipée ou absorbée lors de la transformation d'une substance en solide ou en liquide. Sa densité de stockage thermique est supérieure à celle du stockage de chaleur sensible. Les systèmes de climatisation à accumulation thermique, qui exploitent la chaleur latente générée par le changement de phase de l'eau et de la glace, constituent un exemple d'utilisation du stockage de chaleur à changement de phase. Les équipements de chauffage utilisant de la paraffine, riche en chaleur latente, comme matériau de stockage thermique pour améliorer leurs performances, en sont un autre exemple. De plus, les polymères fonctionnels à changement de phase, des résines possédant des propriétés de stockage thermique, sont utilisés comme matériaux d'isolation pour le chauffage par le sol dans les maisons.
Le stockage chimique de chaleur est une méthode de stockage et de dissipation de la chaleur générée par une réaction chimique déclenchée par le contact entre le milieu réactionnel et le matériau de stockage thermique. La séparation du milieu réactionnel et du matériau de stockage thermique permet de maintenir l'état de stockage thermique pendant une longue période. Cependant, la température de réaction nécessaire à la production de chaleur étant supérieure à 200 °C, des travaux de recherche et développement (R&D) sont en cours, notamment sur l'utilisation de la chaleur résiduelle des usines à haute température.
Systèmes utilisant le stockage de chaleur
Les systèmes utilisant le stockage de chaleur se présentent sous diverses formes et méthodes, comme les pompes à chaleur ATW pour le chauffage de l'eau et des locaux, les systèmes de stockage de la glace et les systèmes de climatisation à accumulation thermique des bâtiments. Le développement de systèmes de stockage de chaleur combinés à l'utilisation de l'énergie solaire, de la géothermie, des gaz d'échappement des usines, etc., est également en cours, et de nombreux nouveaux systèmes de stockage de chaleur ont été signalés.
Problèmes de stockage de chaleur
Le stockage de chaleur présente de nombreux avantages, mais il présente également des défis. Le premier concerne les pertes de chaleur. Le deuxième est la différence de température d'échange thermique entre les périodes de stockage et d'évacuation de la chaleur, nécessaire mais qui entraîne une baisse d'efficacité. Le troisième est le besoin d'équipements et d'espaces pour le stockage de la chaleur, tels que des réservoirs et des piscines. Il est important de relever ces défis pour rendre le stockage de chaleur plus facile à utiliser et plus efficace.
Par exemple, pour réduire les pertes par dissipation thermique, mentionnées en premier lieu, il est important d'isoler le réservoir de stockage de chaleur. C'est pourquoi divers matériaux d'isolation thermique, tels que la laine de roche, la laine de verre, la mousse de polyéthylène, la mousse d'uréthane et l'isolation sous vide, ont été développés. Ces matériaux doivent présenter une résistance à la chaleur, à l'humidité et une durabilité accrue, en plus de leurs performances d'isolation thermique. Parmi eux, l'isolation sous vide est considérée comme un matériau d'isolation idéal. Elle est utilisée pour les ballons d'eau chaude, les réservoirs de stockage de chaleur et les maisons, car elle est de plus en plus fine et son coût diminue. L'isolation thermique des maisons et des bâtiments est également un enjeu important, lié à la charge thermique de la climatisation.
Conclusion
La société moderne consomme énormément d'énergie, et l'importante quantité de chaleur résiduelle qui en résulte contribue au réchauffement climatique. Pour y remédier, il est essentiel de développer un système exploitant l'énergie thermique résiduelle générée, tout en améliorant l'efficacité énergétique et en réduisant la consommation d'énergie. Les pompes à chaleur et le stockage de chaleur sont des technologies qui permettent d'atteindre ces objectifs, et des travaux de recherche et développement supplémentaires sont attendus.
Les axes de développement importants sont le transfert rapide de chaleur lors du stockage dans un conteneur, sa dissipation avec moins de pertes et une densité thermique plus élevée. La mise au point d'un système de stockage de chaleur compact, de grande capacité et peu coûteux permettra un développement considérable de ses applications. La mise au point de pompes à chaleur utilisant ces systèmes de stockage de chaleur améliorés permettra la création de nouveaux systèmes, à l'instar des véhicules électriques et des drones utilisant des batteries haute densité.
Date de publication : 28 juin 2023
