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WO2016012573A1 - Dispositif et procédé pour le stockage d'énergie thermique - Google Patents

Dispositif et procédé pour le stockage d'énergie thermique Download PDF

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WO2016012573A1
WO2016012573A1 PCT/EP2015/066950 EP2015066950W WO2016012573A1 WO 2016012573 A1 WO2016012573 A1 WO 2016012573A1 EP 2015066950 W EP2015066950 W EP 2015066950W WO 2016012573 A1 WO2016012573 A1 WO 2016012573A1
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WO
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mcp
installation
energy storage
energy
heat
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2015/066950
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English (en)
Inventor
Alexandre LONGIS
François POURRAT
Jean-Louis Morard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Muller et Cie SA
Original Assignee
Muller et Cie SA
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Publication date
Application filed by Muller et Cie SA filed Critical Muller et Cie SA
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Priority to US15/328,053 priority patent/US10203165B2/en
Priority to CA2955881A priority patent/CA2955881A1/fr
Priority to JP2017524105A priority patent/JP2017523378A/ja
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    • F24H15/45—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers using electronic processing, e.g. computer-based remotely accessible
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for storing thermal energy.
  • the invention is more particularly, but not exclusively, intended for a climatic apparatus or an installation using apparatus for controlling the climate atmosphere in a room.
  • climate apparatus refers to any heating, air conditioning, mechanical ventilation or temperature controlled water production device.
  • Such climatic devices consume energy, generally of electrical origin, which electrical energy is used directly to produce heat, for example by passing it through an electrical resistance, or by means of a thermal machine such as a heat pump or a refrigeration unit to produce heat or cold.
  • the invention is not limited to climatic devices implemented by means of electrical energy and also applies to any thermal machine or climatic device implemented by means of a combustion.
  • Energy demand from climate devices is not uniform throughout the day, week or year. For example, at the scale of an agglomeration, peak periods are observed when both offices and dwellings are occupied, for example at the end of the day on a weekday. Demand is also changing with the seasons, with winter peaks in temperate countries, and summer peaks in hot countries. These consumption peaks alternate with off-peak periods, where energy consumption is reduced. This non-uniformity of consumption is particularly difficult to manage when the energy consumption is electric and it can not be stored as such. The situation is particularly delicate when the energy production implements uncontrolled means of production, such as wind or solar energy. Both peaks and slow periods are problematic.
  • Heat storage techniques are known from the prior art and are essentially based on two principles, whether storing cold or hot:
  • Sensitive heat storage consists in carrying a body, generally having a high thermal inertia, for example sand, at a high temperature, or conversely at low temperature for storing cold, during the off-peak period, and then returning this heat to the premises. heating or cooling during peak periods, by means of a coolant, for example by blowing into said premises air having been in contact with the body in question and which has heated or cooled to this contact.
  • the sensible heat storage makes it possible to store in a body of mass m, a specific heat capacity Cp (constant with temperature), brought from an initial temperature T 1 to a temperature T 2 a quantity of heat Hs equal to:
  • Latent heat storage uses a material that undergoing the warming or cooling effect undergoes a phase transition, the so-called phase transition occurring with absorption, heating, or recovery, cooling latent heat of transition.
  • the phase transitions most used for this purpose are the change of solid-liquid phase, called melting, crystallization or solidification, the change of liquid-gas phase, called evaporation, liquefaction or condensation.
  • the amount of energy stored is much higher, because the latent heat is generally high.
  • the latent heat of fusion of 1 kg of ice is equivalent to the energy required to heat 1 kg of water from 0 ° C to 80 ° C.
  • phase transition being reversible, the amount of energy H1 is restored during cooling and solidification of the body.
  • thermodynamic principle faces practical difficulties.
  • a first difficulty is related to obtaining a homogeneous temperature in the object body of the phase transition.
  • phase change materials are not in themselves good conductors of heat.
  • the coolant for extracting the latent heat for example air
  • the thermal resistance that accumulates between the external exchange surface and the change of state front becomes quickly majority and limit the thermal power.
  • MCP phase change material
  • d. means, known as piloting, able to control heat flows between the MCP, the source and the recuperator;
  • the support makes it possible to homogenize the temperature in the MCP, without dividing the MCP in unit volumes causing an increase in the supercooling phenomenon.
  • TA> Te and TB ⁇ Te adapted to store heat
  • TA ⁇ Te and TB> Te According to a second variant embodiment, adapted to store cold, TA ⁇ Te and TB> Te.
  • the support comprises a metal foam, a block of straw or metal wool, a grid, a honeycomb, or a porous block.
  • these different elements make it possible to create inside the sealed container a composite material formed by the MCP and the support, the overall thermal conductivity of which is improved compared with that of the MCP alone.
  • the material constituting the support whatever the embodiment, is chosen in particular as a function of the transition temperature Te of the MCP.
  • the energy storage core is immersed in a heat transfer fluid.
  • the block comprising the sealed container loaded with MCP and the support constitutes an accumulation and heat recovery block, which does not require to operate any electrical or fluidic connection.
  • a plurality of blocks is thus advantageously arranged in a heat transfer fluid through which thermal exchanges with the source and the recuperator take place.
  • the sealed container and the support constitute a heat exchanger in which the source and the recuperator are heat transfer fluids circulating in said plate heat exchanger.
  • the heat transfer fluid circulates in the container.
  • the type of exchanger is chosen according to the target performance and the cost, but also according to the change in the volume of the MCP between the high temperature phase and the low temperature phase.
  • the heat exchanger is a plate heat exchanger, a spiral concentric exchanger or a tubular exchanger, without these examples being limiting.
  • the MCP is chosen from: an aqueous solution, an alkane, a polyol or a salt.
  • Aqueous solutions are more particularly indicated for the storage of cold, up to temperatures of the order of -35 ° C.
  • the salts are more suitable for high temperature energy storage, greater than 200 ° C.
  • Paraffin wax type alkanes allow storage temperatures ranging from -20 ° C to +60 ° C, depending on the nature of the wax.
  • Polyols depending on their nature, offer a wide range of melting temperatures, from -50 ° C to +130 ° C approximately. They also offer good resistance to temperature and thermal cycling and have a low degree of supercooling.
  • the MCP of organic nature comprises a charge of micro or nanoparticles solid inorganic. These particles make it possible to improve the apparent thermal conductivity of the PCM.
  • an addition, in an amount of less than 10% by weight, of particles of hexagonal boron nitride, carbon black or carbon nanotubes makes it possible to improve the thermal conductivity of the PCM without substantially degrading its energy storage capabilities in latent heat transition.
  • the invention also relates to an installation for heating or cooling a room, which comprises an energy storage device according to any one of the preceding embodiments.
  • said installation uses the energy heating device to store energy during off-peak hours and to restore this stored energy during peak hours.
  • the installation which is the subject of the invention, the latter comprises an energy storage device adapted to store heat and an energy storage device for storing cold.
  • said installation is adapted to limit the incidence of consumption during rush hours whatever the season.
  • the energy storage device of the installation that is the subject of the invention is included in a climatic apparatus of said installation.
  • a storage capacity and restitution especially for the erasure of consumption in rush hour, is integrable to any existing installation by the installation of such a climatic device in said facility.
  • the climatic apparatus is an electric heating apparatus in which the recuperator is a turbine capable of creating a stream of sweeping air on the energy storage core.
  • the temperature of the energy storage core evolving in small proportions during the operation of the climate apparatus, between the melting temperature and the supercooling temperature of the MCP, this embodiment is particularly easy to regulate and, because of the high storage capacity of the core, the extraction and storage of energy are able to operate simultaneously, so that the recuperator is also used as a means of forced convection outside the restitution phases.
  • the CT of the heart of the climatic apparatus of the installation which is the subject of the invention is of the order of 120 ° C. and the PCM of said core comprises erythritol.
  • This embodiment is particularly suitable for a convection heating mode.
  • the support of the thermal storage core of the climatic apparatus of the installation which is the subject of the invention is an aluminum foam whose porosity level is between 70% and 95% and preferably 90%.
  • Aluminum and its alloys have a high thermal diffusivity and thus an ability to homogenize its own temperature and to exchange heat with the PCM to obtain a homogenization of the temperature in the thermal storage core.
  • the high porosity rate makes it possible to reduce the division of the MCP and thus limit the effects of the support on the supercooling rate.
  • the metal foam is easily shaped and easily conforms to any shape of the sealed container for aesthetic as well as technical reasons.
  • the climatic apparatus of the installation object of the invention comprises a radiating facade.
  • said apparatus combines convection heating and radiant heating to improve heating comfort.
  • the heating of the radiating facade is carried out by a separate heating circuit or by the same circuit as that of storing and restoring the thermal energy.
  • the invention also relates to a method for implementing an installation according to the invention, which method comprises the steps of: i. acquire and interpret a consumption instruction;
  • the interpretation of the consumption directive consists of a reduction in the energy consumption of the installation, stopping the flow of heat from the source to the MCP of the energy storage core;
  • the plant stores energy under favorable consumption conditions and reduces or stops the energy consumption in the adverse consumption circumstances.
  • the method which is the subject of the invention comprises the steps of:
  • the interpretation of the operating instruction corresponds to a request for energy diffusion and if the consumption instruction consists of a reduction of the energy consumption of the installation, to trigger the heat exchange flow between the recovery means and the MCP of the energy storage core.
  • the method that is the subject of the invention takes advantage of the energy storage performed in the energy storage core to provide occupancy comfort for the premises without primary energy consumption.
  • the consumption directive includes a tariff signal issued on the energy distribution network by the energy supplier.
  • the signal consists for example of a peak hour signal transmitted on the electrical network.
  • - Consumption instruction includes a load shedding signal from the internal circuit of the premises on which the installation operates.
  • the consumption of the installation is kept within predefined limits.
  • - Consumption instruction includes a plurality of information, including weather, from a telematic network connected to the facility.
  • a telematic network for example Internet
  • complex data including forecast information on consumption, information on the energy mix used, or information on the greenhouse gas emission permits, without this list being exhaustive.
  • the interpretation of the consumption instruction is carried out by the installation itself, for example in the control means of the energy storage device, or this interpretation is performed remotely, for example by the energy supplier, and transmitted to the facility.
  • the operating setpoint includes a signal from a thermostat.
  • the operating setpoint includes a signal from a presence detector in the room.
  • the operating instruction includes a signal from a programming means of the installation
  • FIG. 1 is a schematic view of an example of installation according to the invention.
  • FIG. 2 shows according to a sectional view 1-1 defined in FIG.
  • FIG. 4 schematically represents two particular embodiments of the device that is the subject of the invention, using a heat exchanger, FIG. 4A according to a block diagram, FIG. 4B according to a spiral coaxial embodiment, seen in a sectional view. transversal;
  • FIG. 5 illustrates a principle sectional view of an embodiment of the device of the invention implement a plurality of storage core in a fluid bath
  • FIG. 6 represents, in a perspective and exploded view, a
  • a climatic apparatus comprising an energy storage core
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the driving environment of the apparatus of Figure 6.
  • the device comprises a source (110), such as an electrical resistance, which resistance is connected to the electrical network and whose operation is, for example, controlled via a TRIAC (1 11) whose trigger (1 12) is controlled by a control device (130).
  • Said control device (130) comprises, according to an exemplary embodiment, calculation and memory means, an output interface and an input interface.
  • the trigger (1 12) of the TRIAC (1 1 1) is connected to the output interface.
  • the resistor (1 10) when supplied with electric current, heats an energy storage core comprised in a thermally insulating enclosure (100).
  • a turbine (120) is used to blow air into said enclosure, so that the air is heated in contact with the energy storage core before being directed to the room to be heated. Said turbine is also controlled by the control device.
  • the source is constituted by a coolant, for example a mineral oil or water heated in a boiler or by a heat pump, the circulation of said fluid being for example controlled by means of a solenoid valve controlled by the control device (130).
  • the control device 130
  • the invention is here presented in the case of a heating device, according to another embodiment, the source is constituted by a heat transfer fluid cooled with a refrigeration unit, thereby constituting a system air conditioning.
  • a heating / air conditioning system comprises two storage devices, one for storing heat and the other for storing cold.
  • the control device (130) receives on its input interface a setpoint (181) of consumption, this consumption setpoint is, for example, a peak hour signal, sent by the electricity supplier by carrier signal on the network.
  • Said control device (130) also receives on its input interface, according to this exemplary embodiment, an operating setpoint (191), said operating setpoint emanating from a sensor or from several sensors placed in the object premises of the heating or air conditioning, said sensors delivering one or more instructions relating to the conditions of comfort or occupation of said local.
  • the senor (190) is a thermometer, a presence detector, a hygrometer, a window opening detector or any combination of these sensors.
  • the control device defines a mode of operation in terms of heating power delivered to the resistor (110) or airflow sent to the room by the turbine (120). This mode of operation has 3 essential operating principles:
  • this operating mode corresponds to pure storage. This case corresponds to the conditions under which the instruction
  • this operating mode corresponds to a pure restitution stored energy and intervenes when the setpoint (181) of consumption is unfavorable, for example during rush hour, and that the instruction (191) of operation involves a climatic action (heating, air conditioning) in the room.
  • the source (1 10) and the recuperator (120) work together, and this in two variants:
  • the energy introduced by the source (110) is completely recovered and transferred into the room by the recuperator (120);
  • the energy introduced by the source (110) is greater than the energy extracted by the recuperator (120) and there is energy storage in the energy storage core.
  • the energy storage core (200) comprises a container.
  • said container is shown as a molded part, the person skilled in the art adapts other embodiments, in particular by assembly or machining.
  • the air blown by the turbine thermally exchanges with said core (200), making contact with the outer walls of this core.
  • said core is advantageously made of a thermally conductive material, such as an aluminum alloy, and comprises means (210), such as fins, to promote heat exchange and convection effects.
  • the interior of the energy storage core (200) is partitioned by fins (215) at the intersection of which channels (210) extend, said channels each receiving, according to this embodiment , a shielded resistor (not shown).
  • the energy storage core (200) is heated from the inside, by means of said resistors, and cooled by the outside by circulation of air.
  • half of the channels (215) ie every other channel, is used for the circulation of a coolant fluid acting as a recuperator, and the other half of said channels (215) is used for the circulation. a coolant acting as a source or for the passage of a shielded resistor.
  • the support used being an aluminum foam, it is used as a heating resistor, directly in contact with the MCP.
  • the container of the storage core is made of an electrically insulating material or is lined inside a layer of an electrically insulating material, for example a polymer or a ceramic resistant to the melting temperature of the MCP.
  • the sealed container thereof is advantageously made of a thermally insulating material, such as a ceramic, or the container is thermally insulated by any means appropriate.
  • a composite material comprising a MCP and a perforated support.
  • said support consists of a sponge of straw or metal wool such as aluminum or copper wool, metal foam such as aluminum or magnesium foam, metal or carbon fiber fabric, nest block bees of aluminum or machined carbon in the shape of the cell, or a porous block of graphite.
  • the object of such a support is to promote the homogenization of the temperature in the MCP, and also the conduction of heat between the MCP and the source or the recuperator.
  • the nature of the MCP and the support are chosen according to the intended application and, consequently, the phase transition temperature of the MCP used.
  • the quantity by volume of support relative to the MCP is at least equal to 5% and less than 30%, preferably of the order of 10%.
  • the filling rate of the cells by the MCP takes into account the possible variation of volume of it during the phase transition. All phase transitions having a latent heat of transformation are usable for the purposes of implementing the invention, however the solid-liquid transformation is the one which has the greatest ease of implementation and provides high latent heat of transformation. .
  • FIG. 3 according to a theoretical schematic example, in a time diagram (301), temperature (302), the evolution (351, 352) of the temperature of a PCM when it is subjected to heating according to a setpoint (310 ) of temperature higher than its melting temperature (350), then to cooling according to a temperature set point (320) lower than its melting temperature, shows a temperature plateau corresponding to the heating (351) at the temperature of melting, and cooling (352) at a temperature slightly lower than the melting temperature (350).
  • This temperature level reflects the latent heat of transformation: heating.
  • the material absorbs heat without increasing its temperature, and upon cooling, during solidification, the MCP gives up heat without its temperature decreasing.
  • the difference in temperature between the bearing found during heating (351) and the bearing found during cooling (352) corresponds to supercooling.
  • a MCP having a melting temperature of 80 ° C to 150 ° C is preferred.
  • erythritol (C 4 H 10 O 4 ) has a melting temperature of the order of 120 ° C. at atmospheric pressure, well suited to this use and a relatively high boiling point, of the order 330 ° C which limits the risk in case of overheating, the product is not flammable elsewhere.
  • polyols having similar properties can be used in this temperature range, for example xylitol (C 5 H 12 0 5 ) having a melting temperature of about 95 ° C, mannitol (C 6 H 14 0 6 ), the melting temperature of the order of 165 ° C, or dulcitol (galactitol) whose melting temperature of about 190 ° C
  • the PCM is supplemented with nanoparticles of hexagonal boron nitride or carbon black, in a mass proportion of less than 5% to improve the apparent thermal conductivity.
  • the thermal storage core forms a wall heat exchanger (400).
  • a wall heat exchanger comprises two fluid circulation circuits, separated by thin walls so as to maximize the heat exchange surface between the fluids circulating in the two circuits without said fluids coming into contact with one of the other.
  • the most common wall heat exchangers are plate heat exchangers and tubular heat exchangers.
  • one of the circuits of the exchanger (400) is used to circulate (410) a heat transfer fluid.
  • the other circuit (440) of the exchanger is filled with a MCP, without circulation thereof.
  • the walls of the exchanger when the distance between said walls is small, play the role of support vis-à-vis the MCP.
  • the coolant for example water
  • a source possibly through another heat exchanger
  • the heat exchanger ( 400) including the MCP in one of its circuits before being directed to a climatic apparatus (not shown) such as a heater, then back to the source and thus a closed circuit.
  • a climatic apparatus such as a heater
  • the heat transfer fluid gives the majority of its energy to the MCP.
  • the coolant is water
  • the melting temperature of said MCP is chosen to be less than 100 ° C., for example 60 ° C.
  • the source is a heat pump using geothermal energy to increase the energy efficiency of the system.
  • Polyol or paraffin wax are suitable as MCP in this case.
  • the energy production of the source is stopped while ventilation of the heater is started.
  • the circulation of the coolant in the heat exchanger (400) causes the solidification of the PCM and the extraction of latent heat.
  • the same heat transfer fluid circuit ensures the storage and the return of the energy.
  • the heat exchanger (401) with walls used is coaxial spiral type.
  • This type of exchanger comprises two coaxial spiral circuits (41 1, 441), nested one inside the other, as shown diagrammatically in FIG. 4B.
  • One of the circuits (41 1) is used for the circulation of the coolant (41 1), and the other circuit (441) is filled by the MCP associated, if necessary, with a straw, wool or metal foam which are easily inserted in this type of exchanger.
  • the operation is identical to that described for the embodiment of FIG. 4A.
  • the advantage of the coaxial spiral exchanger is that it is not very sensitive to the volume variation of the MCP during its melting or solidification. A change in volume of said MCP results in a simple elastic radial expansion of the exchanger.
  • this embodiment makes it possible to use MCPs exhibiting significant volume variations between the two phases, in particular aqueous solutions for storing cold.
  • FIG. 5 according to another embodiment of the device of the invention, no fluid and no heating means through the heart (500) of storage.
  • Said core consists of a sealed container filled with a MCP and a support as described above.
  • a plurality of cores (500) of this type is placed in a tank (560) filled with a fluid such as a mineral oil.
  • the tank is a water heater filled with hot water.
  • an immersion heater (510) constitutes the source.
  • a circuit (520) of coolant flowing in the vessel (560) for example in the form of a coil, constitutes the recuperator. If the tank (560) is a water heater, the recuperator is constituted by the hot water circuit health.
  • the source is either the immersion heater (510) in the case of an electric water heater, or the heat transfer fluid circuit (520) in the case of a thermodynamic water heater, or both.
  • the fluid contained in the tank is heated, for example by the immersion heater, and the energy is stored in the cores (500) of storage. These return this heat to the fluid contained in the tank when said fluid is no longer heated and its temperature passes below the supercooling temperature of the MCP contained in said cores (500).
  • the tank is a water heater, the melting temperature of the MCP used is chosen between 50 ° C and 60 ° C.
  • the installation object of the invention comprises a device (690) climate provided with a core (600) of energy storage.
  • said apparatus is an electric heater and comprises a frame whose rear face (691) is adapted to be fixed to a partition in the room to be heated. Said frame also supports a radiating element (693) forming the front of the device.
  • the useful internal volume of the storage core (600) is of the order of 40 dm 3 , and is entirely filled with aluminum foam and a PCM.
  • Said heart (600) is easily adapted in shape to the aesthetics of the device.
  • the core (600) includes a source (610) in the form of an electrical resistor and a recuperator (620) in the form of a turbine.
  • a movable flap (621) also makes it possible to regulate the convective flow.
  • the radiating facade (693) is for example made of glass. It is in contact with or near the heart (600) so that it transmits its heat by conduction and radiation. Thus the heat produced by the source (610) or restored heart (600) is divided between radiation and convection.
  • the apparatus comprises an air filter, for example of the HEPA (High Efficiency Particulate Air) type, for filtering the air coming from the turbine (620).
  • HEPA High Efficiency Particulate Air
  • the apparatus also comprises a control device (630) provided with a control keyboard and a control screen for controlling a set of intelligent functions such as presence detection, window opening detection, self-programming of operating parameters.
  • Said control device is also connected by a pilot wire or by a network without wire to a central control unit of the installation of which it forms part, or comprises means for detecting signals comprising a consumption setpoint on the electrical network.
  • the heating or air-conditioning installation that is the subject of the invention comprises a microserver (731) to which the apparatus (690) comprising the storage and energy recovery capacities is connected by a local network in particular wireless, of the WLAN type, or a personal network of WPAN type.
  • this link to the network is provided by a transceiver (791) according to the WiFi® protocol, the connection means being powered by the power supply of the apparatus (690).
  • the microserver (731) is connected to the local network and the internet via a router (735). Alternatively the router (735) and the microserver (730) are the same device.
  • the microserver is included in the device (690) climatic.
  • the microserver (731) is able to address data and dialogue, via the Internet, with one or more servers (751) called “regulatory authorities".
  • the regulating authority (751) communicates to the microserver the envisaged peak hour erasure scheme. This erasure scheme takes into account, for example, meteorology, rush hour forecasting and energy production forecasting by renewable energies.
  • the microserver (731) communicates its information or a consumption program derived from this information to the climate device (690) which, by its calculator, deduces the storage and retrieval cycles for the following hours or days.
  • the invention achieves the aim of knowing that the energy storage device according to the invention constitutes a decentralized energy storage point that can be deployed on the set of an existing housing stock, up to a domestic scale, and thus helps to effectively smooth peak power consumption.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de stockage énergétique comprenant: a. un charge d'un matériau à changement de phase, dit MCP, dont la température de changement de phase est Tc (350), contenu dans un contenant étanche et constituant un coeur de stockage (200); 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, aptes à contrôler les flux de chaleur entre le MCP, la source et le récupérateur caractérisé en ce qu'il comprend: e un milieu (240), dit support ajouré en contact avec le MCP dans le contenant étanche et en contact thermique avec la source et le récupérateur.

Description

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 œuvre 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 œuvre par l'intermédiaire de l'énergie électrique et s'applique également à toute machine thermique ou appareil climatique mis en œuvre 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'à 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 œuvre des moyens de production à intermittence non contrôlée, comme de l'éolien ou du solaire. Tant les pointes que les périodes creuses posent problème.
À 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 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 m, de capacité thermique massique Cp (constante avec la température), porté d'une température initiale Tl à une température T2 une quantité de chaleur Hs égale à :
Hs = m. Cp.(T2-Tj)
Le stockage de chaleur latente utilise un matériau qui sous l'effet de réchauffement 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 m, ayant une température de fusion TP telle que Tl < TP < 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 température T2 la quantité d'énergie Hl stockée est :
Hl = m.Ctf.ÇTjrTj) + m.L + m. Cpl. (T2-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 œuvre.
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 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 Te et constituant un cœur 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 œuvre selon les modes de réalisations et les variantes exposés ci-après, lesquels sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.
Selon une première variante de réalisation, adaptée à stocker de la chaleur, TA > Te et TB < Te.
Selon une deuxième variante de réalisation, adaptée à stocker du froid, TA < Te et TB > Te.
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, 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 support, quel que soit le mode de réalisation, est choisi notamment en fonction de la température de transition Te du MCP.
Selon un mode de réalisation, le cœur 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. À 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. À 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. À 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 +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. À titre d'exemple non limitatif une addition, dans une quantité inférieure à 10 % 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 cœur de stockage énergétique. La température du cœur 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 cœur, l'extraction et le stockage d'énergie sont aptes à fonctionner simultanément, de sorte que le récupérateur est également utilisé comme moyen de convection forcée en dehors des phases de restitution.
Avantageusement, la TC du cœur de l'appareil climatique de l'installation objet de l'invention est de l'ordre de 120 °C et le MCP dudit cœur comprend de l'érythritol. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté à un mode de chauffage par convection.
Avantageusement, le support du cœur 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 cœur 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 esthétiq ues 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 œuvre 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 cœur 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 cœur de stockage énergétique. 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 ;
v. 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 cœur 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 cœur de stockage énergétique pour procurer un confort d'occupation du local sans consommation primaire d'énergie.
Selon des exemples de mise en œuvre 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, parexemple 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. 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 œuvre 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 1 à 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 l'appareil de la figure 6.
Figure 1 , selon un exemple de réalisation et de mise en œuvre 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 le fonctionnement est, par exemple, piloté par l'intermédiaire d'un TRIAC (1 11 ) dont la gâchette (1 12) 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 (1 12) du TRIAC (1 1 1 ) est connectée à l'interface de sortie. Selon cet exemple de réalisation, la résistance (1 10), lorsqu'elle est alimentée en courant électrique, chauffe un cœur 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 cœur 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 local. À 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 (1 10) débite dans le cœur 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 (1 10) ne débite rien, et le récupérateur, par exemple la turbine (120), fonctionne provoquant un échange thermique avec le cœur 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 (1 10) 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 cœur 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. Figure 2, le cœur (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 cœur (200), en entant en contact avec les parois extérieures de ce cœur. À cette fin ledit cœur 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 cœur (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 cœur (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 cœur, 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. À titres d'exemples non limitatifs, ledit support est constitué d'une 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 dé 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 œuvre de l'invention, cependant la transformation solide-liquide est celle qui présente le plus de facilité de mise en œuvre 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. À titre d'exemple l'érythritol (C4H10O4) 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 (C5H1205) dont la température de fusion est de l'ordre de 95 °C, le mannitol (C6H1406) 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 % pour en améliorer la conductivité thermique apparente.
Figure 4A, selon un exemple de réalisation particulier, le cœur 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 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 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 ) à parois utilisé est de type coaxial à spirale. Ce type d'échangeur comprend deux circuits (41 1 , 441 ) coaxiaux en spirale, imbriqués l'un dans l'autre, comme le représente schématiquement la figure 4B. L'un de circuits (41 1 ) est utilisé pour la circulation du fluide caloporteur (41 1 ), et l'autre circuit (441 ) est rempli par le MCP associé, le cas échéant, à un support de type paille, laine ou mousse métallique 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 œuvre du dispositif objet de l'invention, aucun fluide et aucun moyen de chauffage ne traversent le cœur (500) de stockage. Ledit cœur est constitué d'un contenant étanche rempli d'un MCP et d'un support tel que décrit précédemment. Selon un exemple de mise en œuvre, une pluralité de cœurs (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 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 cœurs (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 cœurs (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 cœur (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 cœur (600) de stockage est de l'ordre de 40 dm3, et est entièrement rempli de mousse d'aluminium et d'un MCP. Ledit cœur (600) est facilement adapté en forme à l'esthétique de l'appareil. Ledit cœur (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 cœur (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 cœur (600) se répartit entre rayonnement et convection.
Avantageusement, l'appareil comporte un filtre à air, par exemple du type HEPA {High Eïïiciency 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 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 WiFi® , 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.

Claims

REVENDICATIONS
Dispositif de stockage énergétique comprenant :
a. un charge d'un matériau à changement de phase, dit MCP, dont la température de changement de phase est Te (350), contenu dans un contenant étanche et constituant un coeur de stockage (200, 400, 401 , 600) ;
b. un premier moyen (110, 410, 41 1 , 510, 610), 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 (120, 520, 620), 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 (130, 630), dits de pilotage, aptes à contrôler les flux de chaleur entre le MCP, la source et le récupérateur caractérisé en ce qu'il comprend :
e un milieu (240, 441 ), dit support ajouré en contact avec le MCP dans le contenant étanche et en contact thermique avec la source et le récupérateur.
Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel TA > Te et TB < Te.
Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel TA < Te et TB > Te.
Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le support comprend une mousse métallique.
Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le support comprend un bloc de paille ou de laine métallique.
6. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le support comprend une grille.
7. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le support comprend un nid d'abeilles.
8. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le support comprend un bloc poreux. 9. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le coeur (500) de stockage énergétique baigne dans un fluide caloporteur.
10. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le contenant étanche et le support constituent un échangeur thermique (400, 401 ) dans lequel la source et le récupérateur sont des fluides caloporteurs circulant dans ledit échangeur.
11. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le MCP est une solution aqueuse.
12. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le MCP est un polyol.
13. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le MCP est un alcane. 14. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le MCP est un sel.
15. Dispositif selon la revendication 12 ou la revendication 13, dans lequel le MCP comporte une charge de micro ou de nano-particules solides inorganiques.
16. Installation de chauffage ou de climatisation d'un local, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de stockage énergétique selon la revendication 1 .
17. Installation selon la revendication 16, comprenant un dispositif de stockage énergétique selon la revendication 2 pour le stockage de la chaleur et un dispositif de stockage énergétique selon la revendication 3 pour le stockage du froid.
18. Installation selon la revendication 16, dans laquelle le dispositif de stockage énergétique est compris dans un appareil (690) climatique de l'installation.
Installation selon la revendication 18, dans laquelle l'appareil climatique est un appareil de chauffage électrique dans lequel le récupérateur est un turbine (620) apte à créer un courant d'air de balayage sur le coeur (600) de stockage énergétique.
Installation selon la revendication 19, dans laquelle Te du coeur (600)de l'appareil climatique est de l'ordre de 120 °C et que le MCP dudit coeur comprend de l'érythritol.
Installation selon la revendication 19, dans laquelle le support du coeur de stockage thermique de l'appareil climatique est une mousse d'aluminium dont le taux de porosité et compris entre 70 % et 95 % et préférentiellement de 90 %.
Installation selon la revendication 19, dans laquelle l'appareil climatique comporte une façade (693) rayonnante.
Procédé pour la mise en oeuvre d'une installation selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant, à :
i. acquérir et interpréter une consigne (181 ) 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.
24. Procédé selon la revendication 23, comprenant les étapes consistant à : iv. acquérir et interpréter une consigne (191 ) de fonctionnement ; v. 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.
25. Procédé selon la revendication 23, dans lequel la consigne (181 ) de consommation comprend un signal tarifaire émis sur le réseau de distribution énergétique par le fournisseur d'énergie.
26. Procédé selon la revendication 23, dans lequel la consigne (181 ) de consommation comprend un signal de délestage émanant du circuit interne du local sur lequel agit l'installation.
27. Procédé selon la revendication 23, dans lequel la consigne (181 ) de consommation comprend une pluralité d'informations, notamment météorologique, provenant d'un réseau télématique connecté à l'installation.
28. Procédé selon la revendication 24, dans lequel la consigne (191 ) de fonctionnement comprend un signal provenant d'un thermostat. 29. Procédé selon la revendication 24, dans lequel la consigne (191 ) de fonctionnement comprend un signal provenant d'un détecteur de présence dans le local.
30. Procédé selon la revendication 24, dans lequel la consigne (191 ) de fonctionnement comprend un signal issu d'un moyen (731 ) de programmation de l'installation
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