Projet EUROPA : Echangeur stockeur ultra-compact à changement de phase

Description du projet

L’intermittence des énergies renouvelables nécessite généralement de mettre en place des moyens de stockage car la ressource est rarement en phase avec les besoins. Concernant le solaire thermique appliqué au bâtiment, des solutions de stockage à encombrement réduit, simples à mettre en œuvre et avec un coût raisonnable contribueront très certainement au développement de ce marché qui connait actuellement un fort ralentissement. Le projet EUROPA cible ainsi un stockage de chaleur ultra-compact pour la production d’eau chaude qui constitue un poste important de consommation dans les nouveaux bâtiments résidentiels. Les industriels français sont clairement en retard sur ce marché compte tenu de l’absence de produit disponible sous forme de batterie thermique adaptée au solaire qui nécessite la présence de deux échangeurs. La compacité est d’un grand intérêt à la fois sur le plan financier (prix du foncier), pour la faisabilité même d’un projet solaire en réhabilitation (souvent peu de place disponible) et pour la réduction des pertes thermiques. Les autres applications possibles du concept sont nombreuses. En photovoltaïque, les solutions de stockage électrique encore très onéreuses rendent intéressant le stockage de la surproduction sous forme de chaleur grâce à une simple résistance électrique ou une pompe à chaleur. Le projet EUROPA a donc pour objectif de développer un concept innovant de stockage et d’échange thermique, qui soit à la fois modulaire, ultra-compact et de coût limité. Comparativement à un ballon d’eau chaude solaire classique, une meilleure efficacité énergétique est attendue avec le nouveau concept grâce au stockage avec matériaux à changement de phase (MCP). En effet, la montée en température est rapide sur la plage de chaleur sensible puisque la température de fusion correspond à la température de consigne d’ECS ; cela réduit le recours à l’appoint de chauffage. D’autre part, la compacité permet de réduire les pertes thermiques. Chaque module de stockage couple un panneau en nid d’abeille contenant le MCP avec deux échangeurs plans distincts situés sur les deux faces de la cavité. Ces échangeurs assurent la charge (stockage + transfert direct) et la décharge (déstockage + transfert direct) de façon simultanée ou non. L’intérêt du nida est d’améliorer à la fois la conductivité équivalente du MCP et d’intensifier les transferts directs entre les deux échangeurs en cas de charge et décharge simultanées. Ces échanges directs présentent un réel intérêt pour l’amélioration de l’efficacité énergétique du système solaire. Les travaux de recherche considérant une charge et décharge simultanées d’un stockage avec MCP sont par ailleurs peu nombreux. Il n’existe pas à notre connaissance d’études scientifiques portant sur l’intensification de ces échanges directs grâce à des ailettes. C’est pourquoi, il s’agit d’un des principaux objectifs scientifiques du projet qui s’intéressera plus particulièrement à une configuration d’ailettes avec nida contenant le MCP. Nous établirons expérimentalement des lois de comportement faisant intervenir des nombres adimensionnels liés aux caractéristiques géométriques du nida, au type de MCP… Elles permettront de déterminer l’évolution temporelle de la fraction liquide, ainsi que l’efficacité de l’échange direct lorsqu’un module est soumis à une charge et/ou une décharge. Ces lois permettent de dimensionner les modules en fonction des besoins liés au stockage et au transfert direct entre les deux échangeurs. Le modèle dynamique d’un seul module, puis d’un stockage élémentaire composé de plusieurs modules sera développé. Après validation expérimentale, le modèle dynamique sera utilisé pour l’optimisation multicritères de la conception d’un prototype fonctionnant dans une installation de production d’eau chaude solaire d’un bâtiment résidentiel. La solution optimale retenue correspondra au prototype testé expérimentalement à l’INES.

Apports scientifiques du laboratoire

• Évaluation des propriétés thermophysiques du stockage : conductivités, capacités thermiques, et chaleur latente.
• Détermination de lois de comportement adimensionnelles des cavités et modules.
• Évaluation de l’effet d’intensification des transferts par les ailettes (échange direct + stockage). Cas de la charge/décharge seules et simultanées.
• Étude des irréversibilités (analyse thermodynamique)