Qu’est-ce que le stockage d’énergie thermique – Définition

Stockage de chaleur sensible (SHS)

Le moyen le plus direct est le stockage de la chaleur sensible . Le stockage de chaleur sensible est basé sur l’augmentation de la température d’un liquide ou d’un solide pour stocker la chaleur et sa libération avec la diminution de la température lorsque cela est nécessaire. Les volumes nécessaires pour stocker l’énergie à l’échelle dont le monde a besoin sont extrêmement importants. Les matériaux utilisés dans le stockage de chaleur sensible doivent avoir une capacité thermique élevée et également un point d’ébullition ou de fusion élevé. Bien que cette méthode de stockage de chaleur soit actuellement moins efficace pour le stockage de chaleur, elle est moins compliquée par rapport à la chaleur latente ou chimique et elle est peu coûteuse.

Du point de vue thermodynamique, le stockage de la chaleur sensible est basé sur l’augmentation de l’ enthalpie du matériau dans le magasin, soit un liquide soit un solide dans la plupart des cas. L’effet sensible est un changement de température. La chaleur stockée peut être obtenue par l’équation:

Capacité thermique

Différentes substances  sont affectées à  différentes grandeurs  par l’  ajout de chaleur . Lorsqu’une quantité donnée de chaleur est ajoutée à différentes substances, leurs températures augmentent de différentes quantités. Cette  constante de proportionnalité  entre la  chaleur Q  que l’objet absorbe ou perd et la variation de température T résultante   de l’objet est appelée  capacité calorifique C  d’un objet.

C = Q / ΔT

La capacité calorifique  est une  propriété étendue  de la matière, ce qui signifie qu’elle est proportionnelle à la taille du système. La capacité calorifique C  a l’unité d’énergie par degré ou d’énergie par kelvin. Lorsqu’elle exprime le même phénomène qu’une  propriété intensive , la  capacité thermique  est divisée par la quantité de substance, de masse ou de volume, donc la quantité est indépendante de la taille ou de l’étendue de l’échantillon.

Stockage de chaleur latente (LHS)

Une approche courante du stockage d’énergie thermique consiste à utiliser des matériaux appelés matériaux à changement de phase (PCM). Ces matériaux stockent de la chaleur lorsqu’ils subissent un changement de phase , par exemple du solide au liquide, du liquide au gaz ou du solide au solide (passage d’une forme cristalline à une autre sans changement de phase physique).

Le changement de phase « solide-liquide » est le plus utilisé, mais le changement solide-solide est également intéressant. Ces matériaux peuvent être utilisés comme un moyen efficace de stockage d’ énergie thermique (énergie solaire, électricité hors pointe, chaleur industrielle perdue). 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 latente de fusion élevée ) et de la nature isotherme du processus de stockage. La chaleur de fusion ou la chaleur d’évaporation est bien supérieure à 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 plus élevées.

En général, les effets de la chaleur latente associés au changement de phase sont importants. La chaleur latente , également connue sous le nom d’ enthalpie de vaporisation (changement de phase liquide-vapeur) ou d’enthalpie de fusion (changement de phase solide-liquide), est la quantité de chaleur ajoutée ou retirée d’une substance pour produire un changement dans phase. Cette énergie décompose les forces d’attraction intermoléculaires, et doit également fournir l’énergie nécessaire à l’expansion de la substance (le 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 chaleur latente. Il est possible de trouver des matériaux avec une chaleur latente de fusion et une température de fusion dans la plage souhaitée. Le PCM à utiliser dans la conception des systèmes de stockage thermique devrait accomplir les propriétés thermophysiques, cinétiques et chimiques souhaitables.

Propriétés thermo-physiques

• Température de transition de phase appropriée pour l’application spécifique.
• Chaleur latente élevée de transition de phase afin d’occuper le volume minimum possible. .
• Température de fusion dans la plage de températures de fonctionnement souhaitée.
• Chaleur spécifique élevée pour fournir un stockage de chaleur sensible supplémentaire important.
• 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.
• Petits changements de volume lors de la transformation de phase et faible pression de vapeur aux températures de fonctionnement pour réduire 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 thermochimique

L’une des trois approches possibles du stockage d’énergie thermique consiste à utiliser des réactions thermochimiques réversibles . L’avantage le plus important de la méthode de stockage thermochimique est que l’ enthalpie de réaction est considérablement plus grande que la chaleur spécifique ou la chaleur de fusion. La densité de stockage est donc bien meilleure. Dans les réactions chimiques , l’énergie est stockée dans les liaisons chimiques entre les atomes qui composent les molécules. Stockage d’Energieau niveau atomique comprend l’énergie associée aux états orbitaux des électrons. Qu’une réaction chimique absorbe ou libère de l’énergie, il n’y a pas de changement global de la quantité d’énergie pendant la réaction. C’est à cause de la loi de conservation de l’énergie , qui stipule que:

L’énergie ne peut pas être créée ou détruite . L’énergie peut changer de forme lors d’une réaction chimique .

Un exemple de système de stockage expérimental basé sur l’énergie de réaction chimique est la technologie des hydrates de sel . Le système est particulièrement avantageux pour le stockage saisonnier d’ énergie thermique . Le système utilise l’énergie de réaction créée lorsque les sels sont hydratés ou déshydratés. Il fonctionne en stockant la chaleur dans un récipient contenant une solution d’hydroxyde de sodium à 50% (NaOH). La chaleur (provenant par exemple d’un capteur solaire) est stockée en évaporant l’eau lors d’une réaction endothermique. Lorsque de l’eau est à nouveau ajoutée, la chaleur est libérée dans une réaction exothermique à 50 ° C. Les systèmes actuels fonctionnent à 60% d’efficacité.