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Stockage thermique

Les promesses des matériaux à changement de phase

Très peu développé chez nous, le stockage thermique par changement de phase est une technologie innovante et prometteuse en matière d'économie d'énergie. Coup d'œil sur deux acteurs en pointe!

Le principe d'utiliser un accumulateur thermique pour stocker l'énergie latente générée par un procédé n'est pas neuf. Son intérêt réside dans l'ajustement des pics de demande. La chaleur ou le froid généré par les équipements existants est récupéré et stocké dans une batterie thermique et peut par la suite être utilisé lorsque nécessaire, par exemple lors des moments où la demande est à son maximum. La technique permet à la fois de diminuer les appels de puissance et d'améliorer l'efficacité énergétique de l'équipement en le faisant fonctionner à un régime optimal. L'eau est ainsi le plus connu des accumulateurs thermiques à chaleur latente: on peut par exemple l'utiliser sous forme de glace pour refroidir. La nouveauté tient aujourd'hui dans l'utilisation de matériaux à changement de phase (MCP) comme batterie de stockage. Confinés dans des réservoirs hermétiquement clos, ces MCP sont des substances chimiques capables d'absorber ou de libérer de grandes quantités d'énergie thermique pendant un changement de phase, de solide à liquide et vice versa. Des échangeurs de chaleur contenant un fluide caloporteur (eau glycolée) assurent le transfert de l'énergie. Celui-ci fournit ou puise dans le stock les kWh thermiques en faisant changer l'état du MCP suivant les besoins de charge ou de décharge du système. Selon le point de fusion du MCP, on obtient ainsi du chaud ou du froid. Les principaux avantages de ces nouveaux matériaux: une large gamme de températures de fusion qui permet d'adapter la technologie à divers procédés, une excellente conduction et une disponibilité associée à des temps de charge/décharge très performante. Deux acteurs proposent actuellement des systèmes de ce type: le français Cristopia et le canadien Enerstat.

Technique d'écrêtage des puissances

L'application du stockage thermique par changement phase, CIAT l'applique déjà depuis 1982 dans son domaine de prédilection: celui de la production de froid. Mise au point par Cristopia, la filiale de CIAT, en collaboration avec l'Ecole des Mines de Paris, la technologie est déjà très largement répandue en Asie, en Amérique du Nord et même en Europe avec un total de plus de 2.500 références, mais de l'aveu du directeur général de la société, son principe doit encore être expliqué et réexpliqué chaque jour par les ingénieurs de Cristopia et de CIAT auprès des responsables de bureaux d'étude qui en ignorent souvent l'existence. Dans son principe le système permet de dimensionner une installation frigorifique sur la demande moyenne en froid et de faire fonctionner les groupes frigorifiques à leur régime nominal. Frédéric Jay, General Manager de Cristopia: "Dans le cas d'un projet de climatisation ou de froid industriel, un stockage d'énergie thermique permet de réduire de 30 à 70 % la puissance frigorifique installée tout en assurant les besoins du client". Le stockage est généralement utilisé en complément des groupes frigorifiques lorsque la demande est supérieure à leur puissance, suivant une stratégie d'écrêtage de puissance. En demi-saison et en hiver, la priorité peut être donnée au système avec la possibilité d'effacer les heures de pointe. La grande souplesse d'utilisation du système permet donc d'optimiser la production de froid en fonction de la saison et d'adapter à tout moment son utilisation grâce à une régulation flexible qui table sur le changement de phase des MCP mis en œuvre dans le système. Plutôt que de faire fonctionner une machine surdimensionnée à plein régime pendant les heures de bureaux, on entre ici dans un scénario où l'on fait fonctionner en continu une installation de plus petite puissance. En dehors des heures de consommation, la production de froid se poursuit, et le froid est stocké dans la batterie thermique. Frédéric Jay: "Le système est avantageux à plusieurs égards: il permet à l'utilisateur d'éviter des installations surdimensionnées, toujours moins intéressantes du point de vue du rendement, mais aussi et surtout, ce système permet de déplacer une part significative des consommations électriques du jour vers la nuit, avec son tarif préférentiel. Enfin, autre avantage et non des moindres: le système permet d'éviter la mise en service de centrales électriques d'appoint au gaz ou au fioul ou au charbon". L'initiative est intéressante, car l'examen des bâtiments dotés d'une unité de production de froid montre de manière quasi systématique une sous-utilisation des capacités techniques des installations de conditionnement d'air. Ces dernières ne fonctionnant à pleine puissance que lorsque les conditions climatiques sont exceptionnelles. Il en va de même dans la réfrigération industrielle où les systèmes sont souvent dimensionnés sur la demande maximale, même si celle-ci dure un court laps de temps.

Sphères en polyoléfine

Très concrètement, l'installation CIAT ne serait rien sans la présence de nodules spécialement étudiés par Cristopia, filiale de CIAT. Ces petits éléments prennent la forme de sphères en polyoléfine et sont obtenus par extrusion-soufflage. Le principe de fonctionnement de ces nodules est très simple: ils sont remplis avec des matériaux à changement de phase (solide-liquide). Contrairement aux systèmes à serpentins, qui gèlent l'eau à l'extérieur des tuyaux, les nodules sphériques ont une plus grande surface d'échange thermique, et stockent donc plus vite le froid. La température de congélation du fluide calorifique est de -5 ou -6°c alors que dans les autres solutions, elle est à -8°c ou -9°c. La solution proposée par Cristopia permet ainsi déjà des économies d'énergie de plus de 20% sur le simple principe de fonctionnement technique, mais la force du système, c'est surtout d'avoir imaginé un stockage d'énergie capitalisant le fonctionnement du groupe frigorifique pendant la nuit, ce qui permet de refroidir le fluide caloporteur. Celui-ci circule à une température inférieure à la température de fusion du matériau à changement de phase contenu dans les

nodules, provoquant sa cristallisation. L'énergie est ainsi stockée. En journée, lorsque la température s'élève et que le bâtiment doit être refroidit, le caloporteur rentre dans le système à une température supérieure au point de fusion du matériau à changement de phase et voit sa température baisser lorsqu'il rentre au contact des nodules. La température de sortie est alors régulée par une vanne à trois voies en fonction de la demande.

Le froid à changement de phase à l'hôpital de Valenciennes

C'est à la faveur d'un chantier réalisé dans le nord de la France, au Centre Hospitalier de Valenciennes que nous avons fait connaissance avec la technologie proposée par CIAT. Installé par le belge Cegelec, le système permet à l'institution hospitalière de bénéficier d'une liberté totale d'utilisation: pendant la nuit, l'énergie est stockée en utilisant le groupe frigorifique qui refroidit le fluide caloporteur. Celui-ci circule à une température inférieure à la température de fusion du matériau à changement de phase contenu dans les nodules, provoquant sa cristallisation. L'énergie est ainsi stockée en utilisant la chaleur latente de cristallisation. Lorsque la demande appelée est inférieure à la puissance du groupe frigorifique, la production de froid est assurée en direct par le groupe seul. Le système de stockage d'énergie thermique peut être utilisé seul, sans mise en route du groupe frigorifique. Le caloporteur rentre dans le système à une température supérieure au point de fusion du matériau à changement de phase et se refroidit au contact des nodules. La température de sortie est régulée par la vanne trois voies en fonction de la demande. Lorsque la demande appelée est supérieure à la puissance frigorifique du groupe, les besoins sont assurés par le fonctionnement associé du groupe et du système de stockage. Enfin, le système peut fonctionner en production directe et en stockage. De cette façon, le groupe frigorifique charge le système de stockage et assure les besoins de nuit.

IBM fait le choix de Novanergy

Implanté au Québec, le groupe canadien Enerstat propose également depuis quelques années un système de stockage thermique à changement de phase baptisé Novanergy. Développés et brevetés par Enerstat, les MCP artificiels ont été formulés pour changer de phase à des températures optimales pour une multitude de procédés. "Plus d'une trentaine de mélanges de MCP ont ainsi été créés, permettant de couvrir une large gamme de températures de fusion qui varie de -20 °C à près de +120 °C", explique Stéphane Bilodeau, président et fondateur du groupe Enerstat. Installé depuis 2005 à l'usine IBM de Bromont (Québec), la technologie montre des résultats spectaculaires. Spécialisée dans la fabrication et l'assemblage de semi-conducteurs, le site de Bromont produit quotidiennement une quantité importante d'eau de refroidissement. En 2005, le défi était d'optimiser l'efficacité énergétique de son installation frigorifique; l'un des plus gros postes consommateurs. Un passage obligé pour l'usine qui peinait à atteindre ses objectifs annuels de réduction des consommations d'énergie (4% par an). L'installation frigorifique comprenait six refroidisseurs de 3,5 MW chacun (1000 tonnes) et un échangeur de chaleur à refroidissement naturel de 2,8 MW (800 tonnes). A l'occasion du remplacement de deux des six refroidisseurs âgés de 25 ans et fonctionnant au R12, la décision fut prise d'innover pour le système Novanergy.

Deux batteries en cascade

En remplacement des deux unités obsolètes, IBM a opté pour un refroidisseur à entraînement à fréquence variable d'une capacité nominale de 5,3 MW (1.500 tonnes) relié par une boucle d'eau glycolée à deux batteries thermiques à changement de phase de 5,6 MW (1.600 tonnes) et un échangeur de chaleur à plaques de 8,8 MW (2.500 tonnes). Réglée à 4°C, la première batterie sert à régulariser la charge du refroidisseur et est toujours en activité. Elle peut être déchargée ou rechargée plusieurs fois par jour. Avec un ou deux cycles quotidiens, la deuxième batterie maintenue à -2°C est utilisée pour supporter les fluctuations de grande amplitude et de longue durée. D'un point de vue simplifié, le mode de déchargement sert durant la journée lorsque la demande d'eau de refroidissement est forte et que les batteries thermiques sont chargées de froid. Si le refroidisseur principal ne peut pas répondre à la demande, plutôt que de faire travailler l'un des refroidisseurs en ligne, on prélève le froid requis dans les réservoirs de stockage. La nuit, le refroidisseur principal travaille presque à capacité maximale, donnant son meilleur rendement et le froid produit est emmagasiné dans les réservoirs de stockage. Grâce à l'échangeur à plaque et une pompe à vitesse variable, le système procure une capacité instantanée de 8,8 MW (2.500 tonnes) qui peut être régulée aussi bas que 350 kW (100 tonnes), permettant ainsi d'éviter le démarrage d'un refroidisseur additionnel à charge réduite. Déjà présent sur le site IBM, un procédé de refroidissement naturel a été couplé à la boucle du système Novanergy. Le pré-refroidissement du retour d'eau provenant de l'échangeur naturel est complété par les batteries thermiques via l'échangeur à plaques. Ce couplage a permis d'étirer la période de refroidissement naturel de trois mois à neuf mois par année et amélioré d'autant l'efficacité énergétique du système.

53% d'économies d'énergie!

Avant la mise en œuvre, la consommation électrique s'élevait à 0,892 kW/tonne, contre 0,415 kW/tonne avec le système de stockage. Sa mise en place a ainsi permis une diminution de 53% de l'énergie consacrée à la production d'eau glacée, soit 5.312 MWh/an tandis que la réduction de la pointe électrique dépasse le MW. Le coût total du projet s'est élevé à 2,6 millions €, incluant le coût du démantèlement des deux refroidisseurs fonctionnant au R-12. Le système de stockage thermique proprement dit à coûté moins de 1,6 million $. Pour IBM, l'économie totale en coûts énergétiques s'élève à 351.000 $/an, dont 145.500 $/an sur la consommation électrique et 205.500 $/an en réduction de la demande d'électricité. En tenant compte des subventions obtenues (300.000 $) et du non-achat d'un deuxième refroidisseur, le retour sur investissement est estimé à 4,5 ans. Présenté sur le salon Pollutec en France l'an dernier, la technologie d'Enerstat est amenée à n'en pas douter à se répandre aujourd'hui en Europe.

www.cristopia.com
www.groupeenerstat.com

Evolution du stockage d'énergie avec Novanergy

Le graphique suivant illustre la stratégie d'opération du stockage thermique en termes de stabilisation de la consommation d'énergie. Il s'ensuit une réduction de l'appel de puissance grâce à l'action de deux facteurs. D'une part, par l'accumulation d'énergie lorsque le procédé ou les équipements fonctionnent hors pointe et d'autre part, par le délestage des équipements en place, la décharge permet de réduire la pointe d'énergie. Ainsi, les batteries thermiques à haute densité d'énergie viennent réduire non seulement la pointe électrique, mais aussi la consommation d'énergie.

graphe-Stockage-fr_web

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