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DISPOSITIF ET PROCÉDÉ POUR LE STOCKAGE D'ÉNERGIE
THERMIQUE
L'invention concerne un dispositif et un procédé pour le stockage d'énergie
thermique. L'invention est plus particulièrement, mais non exclusivement,
destinée
à un appareil climatique ou à une installation mettant en oeuvre des appareils
pour
le contrôle de l'ambiance climatique dans un local. Les termes appareil
climatique
désignent tout dispositif de chauffage, de climatisation, ventilation
mécanique ou de
production d'eau à température contrôlée.
De tels appareils climatiques consomment de l'énergie, généralement d'origine
électrique, laquelle énergie électrique est utilisée directement pour produire
de la
chaleur, par exemple par son passage dans une résistance électrique, ou par
l'intermédiaire d'une machine thermique comme une pompe à chaleur ou un groupe
réfrigérant pour produire de la chaleur ou du froid. L'invention n'est pas
limitée à des
appareils climatiques mis en oeuvre par l'intermédiaire de l'énergie
électrique et
s'applique également à toute machine thermique ou appareil climatique mis en
oeuvre par l'intermédiaire d'une combustion.
La demande énergétique émanant des appareils climatiques n'est pas uniforme
au cours de la journée, de la semaine ou de l'année. Par exemple, à l'échelle
d'une
agglomération, des périodes de pointe sont constatées, lorsqu'a la fois les
bureaux
et les logements sont occupés, par exemple en fin de journée un jour de
semaine.
La demande évolue également au gré des saisons, avec des pointes hivernales
dans
les pays tempérés, et des pointes estivales dans les pays chauds. Ces pointes
de
consommation alternent avec des périodes creuses, où la consommation
énergétique est réduite. Cette non-uniformité de la consommation est
particulièrement délicate à gérer lorsque la consommation énergétique est
électrique
et qu'elle ne peut être stockée en tant que telle. La situation est plus
particulièrement
délicate lorsque la production énergétique met en oeuvre des moyens de
production
à intermittence non contrôlée, comme de l'éolien ou du solaire. Tant les
pointes que
les périodes creuses posent problème.
A l'échelle d'un logement, la tarification de la consommation énergétique tend
à favoriser la consommation durant les heures creuses et à la défavoriser au
moment
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des heures de pointe. Ainsi, pour bénéficier du meilleur tarif mais aussi pour
réduire
l'empreinte carbone dudit logement, il est utile de pouvoir stocker et
restituer
l'énergie, particulièrement l'énergie consommée par les appareils climatiques.
Les techniques de stockage de la chaleur sont connues de l'art antérieur et
reposent essentiellement sur deux principes, qu'il s'agisse de stocker du
froid ou du
chaud :
- le stockage de chaleur sensible ;
- le stockage de chaleur latente.
Le stockage de chaleur sensible consiste à porter un corps, généralement
présentant une grande inertie thermique, par exemple du sable, à une
température
élevée, ou inversement à basse température pour stocker du froid, en période
creuse, puis à restituer cette chaleur dans les locaux à chauffer ou à
refroidir en
période de pointe, au moyen d'un fluide caloporteur, par exemple en insufflant
dans
lesdits locaux de l'air ayant été en contact avec le corps en question et qui
s'est
échauffé ou refroidi à ce contact. Le stockage de chaleur sensible permet de
stocker
dans un corps de masse in, de capacité thermique massique Cp (constante avec
la
température), porté d'une température initiale T1 à une température T2 une
quantité
de chaleur Hs égale à:
Hs = m.Cp.(T2-T1)
Le stockage de chaleur latente utilise un matériau qui sous l'effet de
l'échauffement ou du refroidissement subit une transition de phase, la dite
transition
de phase se réalisant avec l'absorption, au chauffage, ou la restitution, au
refroidissement d'une chaleur latente de transition. Les transitions de phases
les plus
utilisées à cette fin sont le changement de phase solide - liquide, dit de
fusion, de
cristallisation ou de solidification, le changement de phase liquide - gaz,
dit
d'évaporation, de liquéfaction ou encore de condensation. Ainsi, en prenant
l'exemple d'une transition de phase de fusion d'un corps de masse in, ayant
une
température de fusion TF telle que T, TF < T2, ayant une capacité thermique
Cps
à l'état solide et Cp1 à l'état liquide et présentant une chaleur latente de
transition L
par unité de masse, lorsque ce corps est chauffé d'une température T1 à une
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température T2 la quantité d'énergie Hl stockée est:
Hl = m.Cps.(TF-T) + m.L + m.Q91.(7',-TF)
Pour une même masse de matériau, la quantité d'énergie stockée est
nettement plus importante, car la chaleur latente est généralement élevée. Par
exemple, la chaleur latente de fusion de 1 kg de glace est équivalente à
l'énergie
nécessaire pour chauffer 1 kg d'eau de 0 C à 80 C.
La transition de phase étant réversible, la quantité d'énergie Hl est
restituée
lors du refroidissement et la solidification du corps.
Ainsi le stockage d'énergie thermique dans la chaleur latente de transition,
par
l'intermédiaire d'un matériau présentant une transition de phase est, d'une
manière
générale, beaucoup plus efficace que le stockage de chaleur sensible. Ce
principe
thermodynamique se heurte cependant à des difficultés pratiques.
Une première difficulté est liée à l'obtention d'une température homogène dans
le corps objet de la transition de phase. En effet, les matériaux à changement
de
phase (MCP) ne sont pas en eux-mêmes de bons conducteurs de la chaleur. Ainsi,
lorsque le fluide caloporteur destiné à en extraire la chaleur latente, par
exemple de
l'air, balaye la surface du bloc, la résistance thermique qui s'accumule entre
la
surface d'échange externe et le front de changement d'état devient rapidement
majoritaire et limite la puissance thermique.
Une solution de l'art antérieure pour limiter ce phénomène consiste à
augmenter la surface d'échange en encapsulant le MCP, de sorte à augmenter la
surface d'échange spécifique. Cet encapsulage est réalisé dans des microbilles
ou
dans des fibres textiles. Outre le prix de ces matériaux, cette méthode de
l'art
antérieur présente également des inconvénients de mise en oeuvre.
Ainsi, lors du refroidissement d'un MCP à transition solide-liquide et au
passage
de la température de fusion, que ce soit pour stocker du froid ou pour
restituer la
chaleur stockée dans la phase liquide, il se produit un phénomène de
surfusion. Ce
phénomène se traduit par le fait que la température de solidification est
décalée vers
les basses températures par rapport à la température de fusion. Ainsi, la
phase
liquide ne se solidifie pas même pour des températures nettement inférieures à
la
température de fusion. Or, l'utilisation de la chaleur latente de
transformation
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implique que la transformation et le changement d'état se produisent.
L'expérience
montre que plus la quantité de MCP est faible et plus la surfusion est élevée.
Aussi,
la solution de l'art antérieur consistant à séparer, par encapsulage, le MCP
en petites
quantités est désavantageuse du point de vue de la surfusion.
L'invention vise à résoudre les inconvénients de l'art antérieur et concerne à
cette fin un dispositif de stockage énergétique comprenant :
a. une charge d'un matériau à changement de phase, dit MCP, dont
la
température de changement de phase est Tc et constituant un coeur
de stockage ;
b. un premier moyen, dit source, d'échange de chaleur avec le MCP, à
une température TA, apte à provoquer un changement de phase du
MCP;
c. un deuxième moyen, dit récupérateur, d'échange de chaleur avec le
MCP, à une température TB, apte à provoquer un changement de
phase du MCP en sens inverse du changement de phase produit par
la source ;
d. des moyens, dits de pilotage, apte à contrôler les flux de chaleur entre
le MCP, la source et le récupérateur ;
e un milieu ajouré, dit support, en contact thermique avec le
MCP, la
source et le récupérateur.
Ainsi le support permet d'homogénéiser la température dans le MCP, sans
diviser le MCP dans des volumes unitaires entraînant une hausse du phénomène
de
surfusion.
L'invention est avantageusement mise en oeuvre selon les modes de
réalisations et les variantes exposés ci-après, lesquels sont à considérer
individuellement ou selon toute com binaison techniquement opérante.
Selon une première variante de réalisation, adaptée à stocker de la chaleur,
TA > Tc et TB < Tc.
Selon une deuxième variante de réalisation, adaptée à stocker du froid, TA <
Tc
et TB > Tc.
Selon différents modes de réalisation, non exclusifs les uns des autres, le
support comprend une mousse métallique, un bloc de paille ou de laine
métallique,
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une grille, un nid d'abeille, ou un bloc poreux. Utilisés seuls ou en
combinaison ces
différents éléments permettent de créer à l'intérieur du contenant étanche un
matériau composite formé par le MCP et le support, dont la conductivité
thermique
globale est améliorée par rapport à celle du MCP seul. Le matériau constituant
le
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support, quel que soit le mode de réalisation, est choisi notamment en
fonction de
la température de transition Tc du MCP.
Selon un mode de réalisation, le coeur de stockage énergétique baigne dans
un fluide caloporteur. Ainsi, le bloc comprenant le contenant étanche chargé
de MCP
et du support constitue un bloc d'accumulation et de restitution de chaleur,
qui ne
nécessite pour fonctionner aucune connexion électrique ou fluidique. Une
pluralité
de blocs est ainsi avantageusement agencée dans un fluide caloporteur par
lequel
s'effectuent les échanges thermiques avec la source et le récupérateur. Ce
mode
réalisation permet une installation et une intégration plus facile d'un
dispositif de
stockage / récupération, éventuellement dans une installation existante.
Selon un autre mode de réalisation, le contenant étanche et le support
constituent un échangeur thermique dans lequel la source et le récupérateur
sont des
fluides caloporteurs circulant dans ledit échangeur à plaques. A l'inverse du
mode de
réalisation précédent, dans ce mode de réalisation, le fluide caloporteur
circule dans
le contenant. Ce mode de réalisation permet un échange de chaleur plus rapide
avec
le MCP. Le type d'échangeur est choisi en fonction de la performance visée et
du
coût, mais également en fonction du changement de volume du MCP entre la phase
haute température et la phase basse température. A titre d'exemple non
limitatif,
l'échangeur thermique est un échangeur à plaques, un échangeur concentrique en
spirale ou un échangeur tubulaire, sans que ces exemples ne soient limitatifs.
Selon différentes variantes, adaptées en fonction de la température de
stockage
et de restitution, le MCP est choisi parmi : une solution aqueuse, un alcane,
un polyol
ou un sel. Les solutions aqueuses sont plus particulièrement indiquées pour le
stockage du froid, jusqu'à des températures de l'ordre de -35 C. A l'opposé,
les sels
sont plus indiqués pour un stockage d'énergie à haute température, supérieure
à
200 C. Les alcanes de type cire de paraffine permettent des températures de
stockage s'étalant de -20 C à +60 C environ, selon la nature de la cire. Les
polyols,
selon leur nature, offrent une large gamme de températures de fusion, de -50
C à
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+130 C environ. Ils offrent en plus une bonne résistance à la température et
au
cyclage thermique et présentent un faible degré de surfusion.
Avantageusement, le MCP de nature organique comprend une charge de micro
ou nanoparticules solides inorganiques. Ces particules permettent d'améliorer
la
conductivité thermique apparente du MCP. A titre d'exemple non limitatif une
addition, dans une quantité inférieure à 10 "Yo en masse, de particules de
nitrure de
bore hexagonal, de noir de carbone ou de nanotubes de carbone permet
d'améliorer
la conductivité thermique du MCP sans dégrader notablement ses capacités de
stockage d'énergie dans la chaleur latente de transition.
L'invention concerne également une installation de chauffage ou de
climatisation d'un local, laquelle comporte un dispositif de stockage
énergétique
selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents. Ainsi, ladite
installation
utilise le dispositif de chauffage énergétique pour stocker de l'énergie
pendant les
heures creuses et pour restituer cette énergie stockée pendant les heures de
pointe.
Selon un mode de réalisation de l'installation objet de l'invention, celle-ci
comporte un dispositif de stockage énergétique adapté pour stocker de la
chaleur et
un dispositif de stockage énergétique pour stocker du froid. Ainsi, ladite
installation
est adaptée pour limiter l'incidence de sa consommation aux heures de pointe
quelle
que soit la saison.
Avantageusement, le dispositif de stockage énergétique de l'installation objet
de l'invention est compris dans un appareil climatique de ladite installation.
Ainsi, une
capacité de stockage et de restitution, notamment pour l'effacement des
consommations en heure de pointe, est intégrable à toute installation
existante par
l'installation d'un tel appareil climatique dans ladite installation.
Selon un exemple de réalisation, l'appareil climatique est un appareil de
chauffage électrique dans lequel le récupérateur est une turbine apte à créer
un
courant d'air de balayage sur le coeur de stockage énergétique. La température
du
coeur de stockage énergétique évoluant dans de faibles proportions au cours du
fonctionnement de l'appareil climatique, entre la température de fusion et la
température de surfusion du MCP, ce mode de réalisation est particulièrement
facile
à réguler et, du fait de la grande capacité de stockage du coeur, l'extraction
et le
stockage d'énergie sont aptes à fonctionner simultanément, de sorte que le
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récupérateur est également utilisé comme moyen de convection forcée en dehors
des phases de restitution.
Avantageusement, la TC du coeur de l'appareil climatique de l'installation
objet
de l'invention est de l'ordre de 120 C et le MCP dudit coeur comprend de
l'érythritol.
Ce mode de réalisation est particulièrement adapté à un mode de chauffage par
convection.
Avantageusement, le support du coeur de stockage thermique de l'appareil
climatique de l'installation objet de l'invention est une mousse d'aluminium
dont le
taux de porosité et compris entre 70 % et 95 % et préférentiellement de 90 %.
L'aluminium et ses alliages possèdent une grande diffusivité thermique et
ainsi une
aptitude à homogénéiser sa propre température et à échanger de la chaleur avec
le
MCP pour obtenir une homogénéisation de la température dans le coeur de
stockage
thermique. Le taux de porosité important permet de réduire la division du MCP
et
ainsi de limiter les effets du support sur le taux de surfusion. La mousse
métallique
est facilement mise en forme et se conforme facilement à toute forme du
contenant
étanche tant pour des raisons esthétiques que techniques.
Avantageusement, l'appareil climatique de l'installation objet de l'invention
comporte une façade rayonnante. Ainsi, ledit appareil combine un chauffage par
convection et un chauffage par rayonnement afin d'améliorer le confort de
chauffage.
Selon des variantes de réalisation, le chauffage de la façade rayonnante est
réalisé
par un circuit de chauffage séparé ou par le même circuit que celui de
stockage et
de restitution de l'énergie thermique.
L'invention concerne également un procédé pour la mise en oeuvre d'une
installation selon l'invention, lequel procédé comprend les étapes consistant,
à :
i. acquérir et interpréter une consigne de consommation ;
ii. si l'interprétation de la consigne de consommation consiste en une
baisse de la consommation énergétique de l'installation, stopper le flux
de chaleur de la source vers le MCP du coeur de stockage
énergétique ;
iii. si
l'interprétation de la consigne de consommation consiste en une
requête de stockage énergétique, enclencher le flux de chaleur de la
source vers le MCP du coeur de stockage énergétique.
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Ainsi l'installation stocke de l'énergie dans les conditions de consommation
favorables et réduit ou stoppe la consommation énergétique dans les
circonstances
de consommation défavorables.
Avantageusement le procédé objet de l'invention, comprend les étapes
consistant à :
iv. acquérir et interpréter une consigne de fonctionnement ;
y. si l'interprétation de la consigne de fonctionnement correspond à
une
demande de diffusion énergétique et que la consigne de
consommation consiste en une baisse de la consommation
énergétique de l'installation, enclencher le flux d'échange thermique
entre les moyens récupérateurs et le MCP du coeur de stockage
énergétique.
Ainsi, même en période de consommation dite défavorable, le procédé objet de
l'invention tire avantage du stockage d'énergie réalisée dans le coeur de
stockage
énergétique pour procurer un confort d'occupation du local sans consommation
primaire d'énergie.
Selon des exemples de mise en oeuvre non exclusifs des uns des autres :
- La consigne de consommation comprend un signal tarifaire émis sur le
réseau
de distribution énergétique par le fournisseur d'énergie. Le signal consiste
par
exemple en un signal d'heure de pointe émis sur le réseau électrique.
- La consigne de consommation comprend un signal de délestage émanant du
circuit interne du local sur lequel agit l'installation. Ainsi, la
consommation de
l'installation, quelles que soient les conditions tarifaires, est maintenue
dans
des limites prédéfinies.
- La consigne de consommation comprend une pluralité d'informations,
notamment météorologiques, provenant d'un réseau télématique connecté à
l'installation. L'utilisation d'un réseau télématique, par exemple internet,
pemet
d'échanger avec l'installation objet de l'invention des données complexes
incluant des informations prévisionnelles sur la consommation, des
informations sur le mix énergétique utilisé, ou encore des informations sur le
cours des permis d'émission de gaz à effet de serre, sans que cette liste ne
soit exhaustive.
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Selon des variantes de réalisation, l'interprétation de la consigne de
consommation est réalisée par l'installation elle-même, par exemple dans les
moyens
de pilotage du dispositif de stockage énergétique, ou, cette interprétation
est réalisée
à distance, par exemple par le fournisseur d'énergie, et transmise à
l'installation.
Selon des exemples de mise en oeuvre non exhaustifs les uns des autres :
- La consigne de fonctionnement comprend un signal provenant d'un
thermostat.
- La consigne de fonctionnement comprend un signal provenant d'un détecteur
de présence dans le local.
- La consigne de fonctionnement comprend un signal issu d'un moyen de
programmation de l'installation
L'invention est exposée ci-après selon ses modes de réalisation préférés,
nullement limitatifs, et en référence aux figures là 7, dans lesquelles :
- la figure 1, est une vue schématique d'un exemple d'installation selon
l'invention ;
- la figure 2 montre selon un e vue en coupe 1-1 définie figure 1, une
exemple de réalisation d'un coeur de stockage énergétique d'un dispositif
selon l'invention ;
- la figure 3; illustre l'évolution de la température d'un MCP lorsqu'il
est
soumis à un chauffage ou un refroidissement ;
- lia figure 4 représente de manière schématiques deux exemples particulier
de réalisation du dispositif objet de l'invention mettant en oeuvre un
échangeur thermique, figure 4A selon un schéma de principe, figure 4B
selon un mode de réalisation coaxial en spirale, vue selon une coupe
transversale ;
- la figure 5 illustre selon une vue de principe en coupe un exemple de
réalisation du dispositif objet de l'invention mettent en oeuvre une pluralité
de coeur de stockage dans un bain fluide ;
- la figure 6 représente selon une vue en perspective et en éclaté, un
exemple de réalisation d'un appareil climatique comprenant un coeur de
stockage énergétique ;
- et la figure 7 est un schéma de principe de l'environnement de pilotage
de
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l'appareil de la figure 6.
Figure 1, selon un exemple de réalisation et de mise en oeuvre schématique du
dispositif objet de l'invention, celui-ci comprend une source (110), telle
qu'une
résistance électrique, laquelle résistance est connectée au réseau électrique
et dont
5 le fonctionnement est, par exemple, piloté par l'intermédiaire d'un TRIAC
(111) dont
la gâchette (112) est commandée par un dispositif de pilotage (130). Ledit
dispositif
(130) de pilotage comprend, selon un exemple de réalisation, des moyens de
calcul
et de mémoire, une interface de sortie et une interface d'entrée. La gâchette
(112)
du TRIAC (111) est connectée à l'interface de sortie. Selon cet exemple de
10 réalisation, la résistance (110), lorsqu'elle est alimentée en courant
électrique,
chauffe un coeur de stockage énergétique compris dans une enceinte (100)
thermiquement isolante. Une turbine (120) permet d'insuffler de l'air dans
ladite
enceinte, de sorte que l'air se réchauffe au contact du coeur de stockage
énergétique
avant d'être dirigée vers le local à chauffer. Ladite turbine est également
commandée
par le dispositif de pilotage. Selon un mode de réalisation alternatif, la
source est
constituée par un fluide caloporteur, par exemple une huile minérale ou de
l'eau
chauffée dans une chaudière ou par une pompe à chaleur, la circulation dudit
fluide
étant par exemple commandée au moyen d'une électrovanne pilotée par le
dispositif
de pilotage (130). Bien que l'invention soit ici présentée dans le cas d'un
dispositif de
chauffage, selon un autre mode de réalisation, la source est constituée par un
fluide
caloporteur refroidi auprès d'un bloc de réfrigération, ce qui permet de
constituer
ainsi un système de climatisation. Selon un mode de réalisation particulier,
une
installation de chauffage! climatisation, comprend deux dispositifs de
stockage, l'un
destiné au stockage de la chaleur, l'autre destiné au stockage du froid. Le
dispositif
(130) de pilotage reçoit sur son interface d'entrée une consigne (181) de
consommation, cette consigne de consommation est, à titre d'exemple, un signal
d'heure de pointe, envoyé par le fournisseur d'électricité par signal porteur
sur le
réseau. Ledit dispositif de pilotage (130), reçoit également sur son interface
d'entrée,
selon cet exemple de réalisation, une consigne (191) de fonctionnement, ladite
consigne de fonctionnement émanant d'un capteur ou de plusieurs capteurs
placés
dans le local objet du chauffage ou de la climatisation, lesdits capteurs
délivrant une
ou plusieurs consignes relatives aux conditions de confort ou d'occupation
dudit
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local. A titre d'exemples non limitatifs, le capteur (190) est un thermomètre,
un
détecteur de présence, un hygromètre, un détecteur d'ouverture de fenêtre ou
toute
combinaison de ces capteurs. Selon la combinaison d'informations (181, 191) de
consommation et de fonctionnement reçues par le dispositif de contrôle, celui-
ci
définit un mode de fonctionnement en termes de puissance de chauffage délivrée
à
la résistance (110) ou de débit d'air envoyé vers le local par la turbine
(120). Ce
mode de fonctionnement, comporte 3 principes de fonctionnement essentiels :
- selon un premier principe de fonctionnement, la source (110) débite dans
le
coeur de stockage énergétique, ce mode de fonctionnement correspond à un
stockage pur. Ce cas correspond aux conditions dans lesquelles, la consigne
(181) de consommation est favorable, par exemple une heure creuse, et que
la consigne (191) de fonctionnement indique qu'il n'est pas utile de modifier
les conditions climatiques dans le local.
- Selon un deuxième principe de fonctionnement, la source (110) ne débite
rien,
et le récupérateur, par exemple la turbine (120), fonctionne provoquant un
échange thermique avec le coeur de stockage, ce mode de fonctionnement
correspond à une restitution pure de l'énergie stockée et intervient lorsque
la
consigne (181) de consommation est défavorable, par exemple en heure de
pointe, et que la consigne (191) de fonctionnement implique une action
climatique (chauffage, climatisation) dans le local.
- Selon un troisième principe de fonctionnement, la source (110) et le
récupérateur (120) fonctionnent ensembles, et ceci selon deux variantes :
- selon une
première variante, l'énergie introduite par la source
(110) est intégralement récupérée et transférée dans le local par
le récupérateur (120) ;
- selon une seconde
variante, l'énergie introduite par la source
(110) est supérieure à l'énergie extraite par le récupérateur
(120) et il y a stockage d'énergie dans le coeur de stockage
énergétique.
Avantageusement, ces modes de fonctionnement alternent dans le temps de
sorte à obtenir une régulation et une consommation optimales en fonction des
caractéristiques du système.
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Figure 2, le coeur (200) de stockage énergétique comprend un contenant. Selon
cet exemple de réalisation illustratif, ledit contenant est représenté comme
une pièce
moulée, l'homme du métier adapte d'autres modes de réalisation, notamment par
assemblage ou usinage. Selon cet exemple de réalisation, l'air insufflé par la
turbine
échange thermiquement avec ledit coeur (200), en entant en contact avec les
parois
extérieures de ce coeur. A cette fin ledit coeur est avantageusement constitué
d'un
matériau thermiquement conducteur, tel qu'un alliage d'aluminium, et comprend
des
moyens (210), tels que des ailettes, pour favoriser l'échange thermique et les
effets
de convection. Selon cet exemple de réalisation, l'intérieur du coeur (200) de
stockage énergétique, est cloisonné par des ailettes (215) à l'intersection
desquelles
s'étendent des canaux (210), lesdits canaux recevant chacun, selon ce mode de
réalisation, une résistance blindée (non représentée). Ainsi, selon cet
exemple de
réalisation, le coeur (200) de stockage énergétique est chauffé par
l'intérieur, au
moyen desdites résistances, et refroidi par l'extérieur par circulation d'air.
Selon un
mode de réalisation alternatif, la moitié des canaux (215), soit un canal sur
deux, est
utilisé pour la circulation d'un fluide caloporteur agissant comme
récupérateur, et
l'autre moitié desdits canaux (215) est utilisée pour la circulation d'un
fluide
caloporteur agissant comme source ou pour le passage d'une résistance blindée.
Toute proportion ou toute combinaison de ces solutions technique sont
évidemment
possibles sans sortir de l'invention. Selon encore un autre mode de
réalisation, le
support utilisé étant une mousse d'aluminium, celle-ci est utilisée comme
résistance
chauffante, directement en contact avec le MCP. Dans ce cas le contenant du
coeur
de stockage est constitué d'un matériau électriquement isolant ou est tapissé
à
l'intérieur d'une couche d'un matériau isolant par électriquement, par exemple
un
polymère ou une céramique résistant à la température de fusion du MCP. Lorsque
les échanges thermiques de stockage et de restitution sont réalisés à
l'intérieur du
coeur, le contenant étanche de celui-ci est avantageusement constitué d'un
matériau
thermiquement isolant, telle qu'une céramique, ou le contenant est isolé
thermiquement par tout moyen approprié.
Selon cet exemple de réalisation, les alvéoles (240) délimitées par les
ailettes
(215) internes, sont remplies par un matériau composite comprenant un MCP et
un
support ajouré. A titres d'exemples non limitatifs, ledit support est
constitué d'une
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éponge de paille ou de laine métallique comme une laine d'aluminium ou de
cuivre,
d'une mousse métallique comme une mousse d'aluminium ou de magnésium, d'un
tissu métallique ou de fibres de carbone, d'un bloc de nid d'abeilles en
aluminium ou
en carbone usiné à la forme de l'alvéole, ou encore d'un bloc de graphite
poreux.
L'objet d'un tel support est de favoriser l'homogénéisation de la température
dans le
MCP, et également la conduction de la chaleur entre le MCP et la source ou le
récupérateur. Les natures du MCP et du support sont choisies en fonction de
l'application visée et, par suite, de la température de transition de phase du
MCP
utilisé. La quantité en volume de support par rapport au MCP est au moins
égale à
5 % et inférieure à 30 %, préférentiellement de l'ordre de 10 %. Le taux de
remplissage des alvéoles par le MCP tient compte de l'éventuelle variation de
volume
de celui-ci lors de la transition de phase. Toutes les transitions de phases
présentant
une chaleur latente de transformation sont utilisables aux fins de mise en
oeuvre de
l'invention, cependant la transformation solide-liquide est celle qui présente
le plus
de facilité de mise en oeuvre et offre des chaleurs latentes de transformation
élevées.
Figure 3, selon un exemple schématique théorique, dans un diagramme temps
(301), température (302), l'évolution (351, 352) de la température d'un MCP
lorsqu'il
est soumis à un chauffage selon une consigne (310) de température supérieure à
sa
température (350) de fusion, puis à un refroidissement selon une consigne
(320) de
température inférieure à sa température de fusion, fait apparaître un palier
de
température correspondant, au chauffage (351), à la température de fusion, et
au
refroidissement (352), à une température légèrement inférieure à la
température de
fusion (350). Ce palier de température reflète la chaleur latente de
transformation :
au chauffage. Ainsi, lors de la fusion, le matériau absorbe de la chaleur sans
que sa
température n'augmente, et au refroidissement, lors de la solidification, le
MCP cède
de la chaleur sans que sa température ne diminue. La différence de température
entre le palier constaté au chauffage (351) et le palier constaté au
refroidissement
(352) correspond à la surfusion. Ainsi, pour tirer profit de ce phénomène en
matière
de stockage et de restitution thermique, il est préférable, lorsque le
dispositif est en
fonctionnement nominal, de réguler autour de la température de fusion du MCP.
Ainsi, pour une utilisation dans un chauffage par convection, un MCP dont la
température de fusion est comprise entre 80 C et 150 C est avantageux. A
titre
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d'exemple l'érythritol (C4I-11004) présente une température de fusion de
l'ordre de
120 C à la pression atmosphérique, bien adapté à cette utilisation et une
température d'ébullition relativement élevée, de l'ordre de 330 C ce qui
limite les
risque en cas de surchauffe, le produit n'étant pas inflammable par ailleurs.
Il est de
plus hygroscopique. D'autres polyols, présentant des propriétés similaires,
sont
utilisables dans cette gamme de température, par exemple, le xylitol (C5I-
11205) dont
la température de fusion est de l'ordre de 95 C, le mannitol (C6I-11406) dont
la
température de fusion de l'ordre de 165 C, ou encore le dulcitol (galactitol)
dont la
température de fusion de l'ordre de 190 C
Selon un mode de réalisation, le MCP est additionné de nanoparticules de
nitrure de bore hexagonal ou de noir de carbone, dans une proportion massique
inférieure à 5 A pour en améliorer la conductivité thermique apparente.
Figure 4A, selon un exemple de réalisation particulier, le coeur de stockage
thermique forme un échangeur thermique à parois (400). Un échangeur thermique
à parois comprend deux circuits de circulation fluide, séparés par des parois
minces
de sorte à maximiser la surface d'échange thermique entre les fluides
circulant dans
les deux circuits sans que lesdits fluides n'entrent en contact l'un de
l'autre. Les
échangeurs thermiques à paroi les plus répandus sont les échangeurs à plaques
et
les échangeurs tubulaires. Dans le cas de l'invention, l'un des circuits de
l'échangeur
(400) est utilisé pour faire circuler (410) un fluide caloporteur. L'autre
circuit (440) de
l'échangeur est rempli avec un MCP, sans circulation de celui-ci. Les parois
de
l'échangeur, lorsque la distance entre lesdites parois est faible, jouent le
rôle de
support vis-à-vis du MCP. Selon un exemple de réalisation correspondant à ce
mode
de réalisation, le fluide caloporteur, par exemple de l'eau, est d'abord
chauffé par une
source (non représentée) éventuellement à travers un autre échangeur de
chaleur,
puis traverse l'échangeur (400) de chaleur comprenant le MCP dans l'un de ses
circuits, avant d'être dirigé vers un appareil climatique (non représenté) tel
qu'un
aérotherme, puis de revient vers la source suivant ainsi un circuit fermé. En
phase
de stockage d'énergie, par exemple en heure creuse avec absence de chauffage
des
locaux, la ventilation de l'aérotherme est coupée, et le fluide caloporteur
cède la
majorité de son énergie au MCP. Si le fluide caloporteur est de l'eau, la
température
de fusion dudit MCP est choisie inférieure à 100 C par exemple 60 C. ou 50
C, ou
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une température plus basse, de l'ordre de 35 C si la source est une pompe à
chaleur utilisant la géothermie afin d'augmenter le rendement énergétique du
système. Un polyol ou une cire de paraffine sont adaptés comme MCP dans ce
cas.
En phase de restitution pure, la production énergétique de la source est
stoppée
5 alors que la ventilation de l'aérotherme est lancée. La circulation du
fluide caloporteur
dans l'échangeur (400) entraîne la solidification du MCP et l'extraction de la
chaleur
latente. Ainsi, le même circuit de fluide caloporteur assure le stockage et la
restitution
de l'énergie.
Figure 4B, selon un autre exemple de réalisation, l'échangeur thermique (401)
10 à parois utilisé est de type coaxial à spirale. Ce type d'échangeur
comprend deux
circuits (411, 441) coaxiaux en spirale, imbriqués l'un dans l'autre, comme le
représente schématiquement la figure 4B. L'un de circuits (411) est utilisé
pour la
circulation du fluide caloporteur (411), et l'autre circuit (441) est rempli
par le MCP
associé, le cas échéant, à un support de type paille, laine ou mousse
métallique
15 lesquels sont facilement insérés dans ce type d'échangeur. Le
fonctionnement est
identique à celui décrit pour le mode de réalisation de la figure 4A.
L'avantage de
l'échangeur à spirale coaxial est qu'il est peu sensible à la variation de
volume du
MCP lors de sa fusion ou de sa solidification. Une variation de volume dudit
MCP
entraîne une simple expansion radiale élastique de l'échangeur. Ainsi, ce mode
de
réalisation permet d'utiliser des MCP présentant des variations de volume
significatives entre les deux phases, notamment des solutions aqueuses pour
stocker
du froid.
Figure 5, selon un autre exemple de mise en oeuvre du dispositif objet de
l'invention, aucun fluide et aucun moyen de chauffage ne traversent le coeur
(500)
de stockage. Ledit coeur est constitué d'un contenant étanche rempli d'un MCP
et
d'un support tel que décrit précédemment. Selon un exemple de mise en oeuvre,
une
pluralité de coeurs (500) de ce type est placée dans une cuve (560) remplie
d'un
fluide comme une huile minérale. Alternativement la cuve est un chauffe-eau
rempli
d'eau chaude sanitaire. Selon un exemple de réalisation, un thermoplongeur
(510)
constitue la source. Un circuit (520) de fluide caloporteur cheminant dans la
cuve
(560) par exemple sous la forme d'un serpentin, constitue le récupérateur. Si
la cuve
(560) est un chauffe-eau, le récupérateur est constitué par le circuit d'eau
chaude
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sanitaire. Dans ce cas, la source est soit le thermoplongeur (510) dans le cas
d'un
chauffe-eau électrique, soit le circuit (520) de fluide caloporteur dans le
cas d'un
chauffe-eau thermodynamique, voire les deux. En période de consommation
favorable, le fluide contenu dans la cuve est chauffé, par exemple par le
thermoplongeur, et l'énergie est emmagasinée dans les coeurs (500) de
stockage.
Ceux-ci restituent cette chaleur au fluide contenu dans la cuve lorsque ledit
fluide
n'est plus chauffé et que sa température passe sous la température de
surfusion du
MCP contenu dans lesdits coeurs (500). Si la cuve est un chauffe-eau, la
température
de fusion du MCP utilisé est choisie entre 50 C et 60 C.
Figure 6, selon un exemple de réalisation, l'installation objet de l'invention
comprend un appareil (690) climatique pourvu d'un coeur (600) de stockage
énergétique. Selon un exemple de réalisation, ledit appareil est un appareil
de
chauffage électrique et comprend un bâti dont la face arrière (691) est apte à
être
fixée à une cloison dans le local à chauffer. Ledit bâti supporte également un
élément
rayonnant (693) formant la façade de l'appareil.
Selon un exemple de réalisation, le volume intérieur utile du coeur (600) de
stockage est de l'ordre de 40 dm3, et est entièrement rempli de mousse
d'aluminium
et d'un MCP. Ledit coeur (600) est facilement adapté en forme à l'esthétique
de
l'appareil. Ledit coeur (600) comprend une source (610) sous la forme d'une
résistance électrique et un récupérateur (620) sous la forme d'une turbine. Un
volet
mobile (621) permet en outre de régler le flux convectif.
La façade rayonnante (693) est par exemple constituée de verre. Elle est en
contact ou à proximité immédiate du coeur (600) de sorte que celui-ci lui
transmet sa
chaleur par conduction et par rayonnement. Ainsi la chaleur produite par la
source
(610) ou restituée du coeur (600) se répartit entre rayonnement et convection.
Avantageusement, l'appareil comporte un filtre à air, par exemple du type NEPA
(High Efficiency Particulate Air) permettant de filtrer l'air issu de la
turbine (620).
L'appareil comprend également un dispositif de pilotage (630) muni d'un
clavier
de commande et d'un écran de contrôle permettant de piloter un ensemble de
fonctions intelligentes telles que la détection de présence, la détection
d'ouverture
de fenêtre, une auto-programmation des paramètres de fonctionnement. Ledit
dispositif de pilotage est par ailleurs connecté par un fil pilote ou par un
réseau sans
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fil à une centrale de commande de l'installation dont il fait partie, ou
comprend des
moyens pour détecter des signaux comportant une consigne de consommation sur
le réseau électrique.
Figure 7, selon un exemple de réalisation, l'installation de chauffage ou de
climatisation objet de l'invention comprend un microserveur (731) auquel
l'appareil
(690) comprenant les capacités de stockage et de restitution énergétique est
connecté par un réseau local notamment sans fil, de type WLAN, ou un réseau
personnel de type WPAN. Selon un exemple de réalisation, ce lien au réseau est
réalisé par un émetteur-récepteur (791) selon le protocole WiFi0 , les moyens
de
connexion étant alimentés par l'alimentation électrique de l'appareil (690).
Le
microserveur (731) est connecté au réseau local et à internet via un routeur
(735).
Alternativement le routeur (735) et le microserveur (730) sont le même
appareil.
Selon un autre mode de réalisation, le microserveur est compris dans
l'appareil (690)
climatique. Ainsi, l'installation de cet appareil (690) dans une installation
existante
permet d'en modifier fondamentalement les performances énergétiques. Le
microserveur (731) est apte à adresser des données et à dialoguer, via le
réseau
internet, avec un ou plusieurs serveurs (751) dits autorités régulatrices .
Selon un
exemple de réalisation l'autorité régulatrice (751) communique au microserveur
le
schéma d'effacement d'heure de pointe envisagé. Ce schéma d'effacement tient
compte, par exemple, de la météorologie, de la prévision des heures de pointe
et de
la prévision de production énergétique par des énergies renouvelables. Le
microserveur (731) communique ses informations ou un programme de
consommation déduit de ces informations, à l'appareil (690) climatique qui,
par son
calculateur en déduit les cycles de stockage et de restitution pour les heures
ou les
jours suivants.
La description ci-avant et les exemples de réalisation, montrent que
l'invention
atteint le but visé, à savoir que le dispositif de stockage énergétique objet
de
l'invention constitue un point de stockage d'énergie décentralisé déployable
sur
l'ensemble d'un parc de logements existants, jusqu'à une échelle domestique,
et
contribue ainsi à lisser efficacement les pics de consommation électrique.
