Accumulation de chaleur latente (LHS)
Une approche courante du stockage de l’énergie thermique consiste à utiliser des matériaux connus sous le nom de matériaux à changement de phase (PCM). Ces matériaux stockent la chaleur lorsqu’ils subissent un changement de phase , par exemple, de solide à liquide, de liquide à gaz ou de solide à solide (changement d’une forme cristalline en une autre sans changement de phase physique).
Le changement de phase « solide à liquide » est le plus utilisé, mais un changement de solide à solide présente également un intérêt. Ces matériaux peuvent être utilisés comme moyen efficace de stocker de l’énergie thermique (énergie solaire, électricité en période creuse, chaleur résiduelle industrielle). Par rapport aux systèmes de stockage de chaleur sensible, le stockage de chaleur latente présente les avantages d’une densité de stockage élevée (due à une chaleur de fusion latente élevée ) et de la nature isotherme du processus de stockage. La chaleur de fusion ou la chaleur d’évaporation est beaucoup plus grande que la capacité thermique spécifique. La comparaison entre le stockage de chaleur latente et le stockage de chaleur sensible montre que, dans le stockage de chaleur latente, les densités de stockage sont généralement 5 à 10 fois supérieures.
En général, les effets de chaleur latente associés au changement de phase sont importants. La chaleur latente , également appelée enthalpie de vaporisation (changement de phase liquide à vapeur) ou enthalpie de fusion (changement de phase solide-liquide), est la quantité de chaleur ajoutée à une substance ou retirée de celle-ci pour produire un changement de phase. Cette énergie décompose les forces d’attraction intermoléculaires et doit également fournir l’énergie nécessaire à l’expansion de la substance ( travail pΔV ). Lorsque de la chaleur latente est ajoutée, aucun changement de température ne se produit.
Matériau à changement de phase
Les matériaux à changement de phase (PCM) sont des matériaux de stockage de la chaleur latente. Il est possible de trouver des matériaux avec une chaleur de fusion latente et une température de fusion dans la plage souhaitée. Le MCP à utiliser dans la conception des systèmes de stockage thermique doit avoir les propriétés thermophysiques, cinétiques et chimiques recherchées.
Propriétés thermo-physiques
- Température de transition de phase adaptée à l’application spécifique.
- Chaleur de transition de phase latente élevée afin d’occuper le volume minimal possible. .
- Température de fusion dans la plage de température de fonctionnement souhaitée.
- Chaleur spécifique élevée pour permettre un stockage supplémentaire important de la chaleur sensible.
- Haute conductivité thermique afin de minimiser le gradient de température et d’aider au chargement et au déchargement de l’énergie des systèmes de stockage.
- Des changements mineurs de volume lors de la transformation de phase et une faible pression de vapeur aux températures de fonctionnement réduisent le problème de confinement.
Propriétés cinétiques
- Taux de nucléation élevé pour éviter la surfusion de la phase liquide.
- Taux de croissance des cristaux élevé, de sorte que le système puisse répondre aux demandes de récupération de chaleur du système de stockage.
Propriétés chimiques
- Matériaux non toxiques, ininflammables et non explosifs pour des raisons de sécurité.
- Stabilité chimique à long terme et cycle de fusion / congélation réversible complet.
- Aucune dégradation après un grand nombre de cycles de congélation / fusion.
- Faible corrosivité
Enfin, le matériel doit être abondant, disponible et bon marché pour faciliter la faisabilité de l’utilisation du système de stockage.
Il existe un grand nombre de PCM, ils peuvent être divisés en trois groupes:
- PCM organiques
- PCM inorganiques
- PCM eutectiques
À titre d’exemple, le stockage d’énergie thermique peut être utilisé dans les centrales solaires à concentration (CSP), dont le principal avantage est la capacité de stocker efficacement l’énergie, permettant la distribution d’électricité sur une période allant jusqu’à 24 heures. Dans une usine CSP qui comprend le stockage, l’énergie solaire est d’abord utilisée pour chauffer le sel fondu ou l’huile synthétique pour stocker l’énergie thermique à haute température dans des réservoirs isolés. Plus tard, le sel fondu chaud est utilisé pour la production de vapeur pour produire de l’électricité par un turbo-générateur de vapeur selon les besoins. L’utilisation de chaleur latente et de chaleur sensible dans les centrales solaires à concentration est possible avec un apport thermique solaire à haute température. Différents mélanges eutectiques de métaux, tels que l’aluminium et le silicium (AlSi12) offrent un point de fusion élevé (577 ° C) adapté à une génération efficace de vapeur,
Stockage d’énergie thermique
En thermodynamique , l’énergie interne (également appelée énergie thermique ) est définie comme l’énergie associée aux formes microscopiques d’énergie . C’est une quantité importante , cela dépend de la taille du système ou de la quantité de substance qu’il contient. L’unité SI d’ énergie interne est le joule (J) . Il s’agit de l’énergie contenue dans le système, à l’exclusion de l’énergie cinétique de mouvement du système dans son ensemble et de l’énergie potentielle du système. Les formes microscopiques d’énergie comprennent celles dues à la rotation , aux vibrations, à la translation et aux interactionsparmi les molécules d’une substance. Aucune de ces formes d’énergie ne peut être mesurée ou évaluée directement, mais des techniques ont été développées pour évaluer la variation de la somme totale de toutes ces formes microscopiques d’énergie.
De plus, l’énergie peut être stockée dans les liaisons chimiques entre les atomes qui composent les molécules. Ce stockage d’énergie au niveau atomique comprend l’énergie associée aux états orbitaux des électrons, au spin nucléaire et aux forces de liaison dans le noyau.
L’énergie thermique peut également être stockée très efficacement. De nos jours, la situation sur les marchés de l’énergie est différente. L’augmentation des prix des sources d’énergie conventionnelles et la prise de conscience environnementale ont conduit à augmenter l’utilisation des énergies renouvelables et l’efficacité énergétique. Le stockage d’énergie thermique constitue un élément clé d’une centrale électrique pour l’amélioration de sa dispatchabilité, notamment pour les centrales solaires à concentration (CSP). Le stockage d’énergie thermique (TES) est réalisé avec des technologies très différentes. Il existe trois méthodes utilisées et toujours à l’étude afin de stocker l’énergie thermique.
- Stockage de chaleur sensible (SHS)
- Stockage de chaleur latente (LHS)
- Stockage thermochimique
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