Introduction
Les pompes à chaleur connaissent un essor rapide en tant que solution efficace pour lutter contre le réchauffement climatique et promouvoir la neutralité carbone, en tant qu'équipements de chauffage pouvant remplacer les systèmes de combustion d'énergies fossiles. Bien que leur rendement ait été amélioré, cette progression s'est ralentie. Afin d'optimiser davantage leur efficacité, l'utilisation de systèmes de transfert et de stockage de chaleur performants, en complément de l'amélioration du rendement de l'équipement lui-même, permet d'assurer un refroidissement et un chauffage efficaces, ainsi qu'une production d'eau chaude sanitaire à la demande et en quantité adaptée.
Avantages du stockage de chaleur
Le stockage de chaleur consiste à emmagasiner de l'énergie thermique. Les surfaces terrestres et aquatiques constituent des matériaux de stockage de chaleur de grande capacité, car elles emmagasinent l'énergie solaire et atmosphérique. Le stockage de chaleur présente de nombreux avantages, notamment :
La capacité de l'équipement de production de chaleur peut être réduite, et il est possible de compenser le déséquilibre temporel de la consommation de chaleur, grâce à l'utilisation d'une grande quantité de chaleur, stockée dans un espace réduit, au moment de la demande maximale.
La consommation d'électricité peut être lissée entre la nuit et le jour grâce au stockage de la chaleur, obtenue en utilisant l'électricité la nuit lorsque la consommation est faible, et à l'utilisation de cette chaleur pendant le fonctionnement diurne afin de 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 et au stockage de chaleur. Par exemple, en été, lorsque la température nocturne est plus basse que la température diurne, la chaleur de la glace est efficacement stockée, puis utilisée pour le refroidissement durant la journée afin d'abaisser la température de condensation et ainsi 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 chute de température ambiante lors du dégivrage et pour diffuser rapidement de l'air chaud au démarrage du chauffage.
L'utilisation des énergies renouvelables telles que l'énergie solaire, géothermique et la chaleur résiduelle industrielle devient plus facile grâce au stockage de la chaleur.
Types de stockage de chaleur
Il existe différentes méthodes de stockage de la chaleur.
Le stockage de chaleur sensible est une méthode qui exploite les variations de température dans les liquides (comme l'eau) et les solides (comme les briques et le béton) pour stocker l'énergie thermique. Cette technique est largement utilisée. Par exemple, le stockage de chaleur sensible dans l'eau est employé dans les pompes à chaleur air-eau pour le chauffage de l'eau et des locaux. Dans les bâtiments en béton, le stockage de chaleur sensible s'effectue notamment par l'utilisation du béton comme matériau de stockage de chaleur sensible : les plafonds, les sols, les murs, etc., servent alors de matériaux de stockage. La densité de stockage de chaleur étant relativement faible, la quantité de chaleur stockée est augmentée en accentuant l'écart de température du matériau de stockage.
Le stockage de chaleur par changement de phase, ou stockage de chaleur latente, est une méthode de stockage de la chaleur exploitant l'énergie thermique dissipée ou absorbée lors du passage d'une substance de l'état solide à l'état liquide. Il offre une densité de stockage de chaleur supérieure à celle du stockage de chaleur sensible. Les systèmes de climatisation à stockage thermique, qui utilisent la chaleur latente générée par le changement de phase de l'eau et de la glace, en sont un exemple. De même, certains équipements de chauffage utilisent la paraffine, riche en chaleur latente, comme matériau de stockage de chaleur afin d'améliorer leurs performances. Par ailleurs, les polymères fonctionnels à changement de phase, des résines aux propriétés de stockage de chaleur, sont utilisés comme matériaux d'isolation pour les planchers chauffants dans les habitations.
Le stockage chimique de chaleur est une méthode permettant de stocker et de dissiper la chaleur générée par une réaction chimique déclenchée par le contact entre le milieu réactionnel et le matériau de stockage. Si ces deux éléments sont séparés, la chaleur stockée peut être maintenue pendant une longue période. Cependant, la température de réaction étant supérieure à 200 °C, des travaux de recherche et développement, notamment sur la valorisation de la chaleur résiduelle industrielle à haute température, sont en cours.
Systèmes utilisant le stockage de chaleur
Les systèmes de stockage de chaleur se présentent sous diverses formes et fonctionnent selon différents procédés, tels que les pompes à chaleur air-eau pour le chauffage de l'eau et des locaux, les systèmes de stockage thermique par la glace et les systèmes de climatisation à stockage thermique intégré aux bâtiments. Le développement de systèmes d'utilisation du stockage de chaleur, combiné à l'exploitation de l'énergie solaire, géothermique, des gaz d'échappement industriels, etc., est également en plein essor, et de nombreux nouveaux systèmes de stockage de chaleur ont été présentés.
Problèmes de stockage de chaleur
Le stockage de chaleur présente de nombreux avantages, mais aussi des défis. Le premier est la perte de chaleur. Le second est la différence de température d'échange thermique entre les périodes de stockage et d'extraction de chaleur, différence nécessaire mais qui entraîne une baisse d'efficacité. Le troisième est le besoin d'équipements et d'espaces dédiés au stockage de 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, afin de réduire les pertes par dissipation thermique mentionnées comme premier point, 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, outre leurs performances d'isolation thermique, une résistance à la chaleur et à l'humidité, ainsi qu'une bonne durabilité. Parmi eux, l'isolation sous vide est considérée comme un matériau d'isolation idéal et est utilisée pour les ballons d'eau chaude, les réservoirs de stockage de chaleur et les habitations, car son épaisseur est réduite et son coût diminue. L'isolation thermique des maisons et des bâtiments est également un enjeu important lié aux besoins en chaleur de la climatisation.
Conclusion
La société moderne consomme énormément d'énergie, et l'important volume de chaleur résiduelle qui en découle contribue au réchauffement climatique. Pour y remédier, il est essentiel de développer un système qui valorise cette énergie thermique résiduelle, 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 efforts de recherche et développement supplémentaires sont attendus.
Les axes de développement importants concernent le transfert thermique rapide lors du stockage dans un conteneur, la dissipation de la chaleur avec des pertes minimales et l'augmentation de la densité thermique du stockage. La réalisation d'un système de stockage de chaleur compact, de grande capacité et peu coûteux ouvrira la voie à de nombreuses applications. Le développement de pompes à chaleur utilisant de tels systèmes de stockage améliorés permettra de créer de nouveaux systèmes, à l'instar des véhicules électriques et des drones qui ont été conçus grâce à des batteries haute densité.
Date de publication : 28 juin 2023
