Brevet FR3024215A1 — publié le 20160129

- 1 - Dispositif de stockage thermoélectrique saisonnier et appareil de chauffage mettant en oeuvre un tel dispositif La présente invention concerne un dispositif de stockage thermoélectrique saisonnier. Elle concerne encore un appareil de chauffage domestique mettant en oeuvre un tel dispositif de stockage. La transition énergétique qui vise à substituer aux énergies fossiles des énergies renouvelables et à oeuvrer pour une meilleure efficacité énergétique est mise en place depuis plusieurs années. Or, le recours croissant à des solutions de production intermittentes d'électricité, principalement éolienne, constitue une source de fragilité pour l'équilibre entre l'offre et la demande d'électricité. En effet, cette offre intermittente est souvent en inadéquation avec la demande. De plus, les fluctuations de production, dictées par les aléas météorologiques, sont indépendantes de la consommation de sorte qu'elles entraînent des situations de surproduction d'électricité en période de faible consommation. La situation est d'autant plus exacerbée pendant la période hivernale, où de fortes demandes énergétiques sont enregistrées, ainsi que les plus hauts niveaux de production d'énergie éolienne intermittente, entrainant des besoins de flexibilité et d'équilibre entre l'offre et la demande très élevés. En effet plus les températures sont basses, plus les besoins de chaleur augmentent, et plus la quantité de chaleur stockable augmente. Pour faire face à ces problèmes, il a été proposé de stocker l'électricité, sous différentes formes, notamment thermique. Ainsi, il est connu de stocker de l'énergie électrique sous forme de chaleur thermique. Par exemple, il est possible de stocker l'électricité sous forme de chaleur dans les radiateurs électriques à accumulation (encore appelés accumulateurs de chaleur) ou les radiateurs à inertie équipant un bâtiment. Cependant, ces solutions présentent de nombreux inconvénients. 3024215 - 2 - En effet, les accumulateurs de chaleur emmagasinent, dans un bloc accumulateur constitué de matériaux réfractaires à haute densité, la chaleur produite par le courant électrique pendant les heures creuses. La chaleur ainsi emmagasinée est restituée par rayonnement dans la journée, aux heures de tarif 5 électrique plus élevé, suivant les besoins des utilisateurs. Ces accumulateurs stockent de l'énergie sous forme de chaleur sensible, en chauffant le bloc de matériau à très haute température (de l'ordre de 800°C) générant des problèmes de sécurité, de déperditions thermiques et de qualité de l'air. Par ailleurs, les radiateurs à accumulation dynamique, qui comportent une 10 turbine de restitution de la chaleur accumulée, ont un débit de restitution qui dépend de la température du bloc accumulateur. Or cette température décroit en permanence, ce qui complique le réglage de la température dans la pièce équipée dudit accumulateur. Les radiateurs à inertie ne stockent, quant à eux, qu'une faible quantité 15 d'énergie, avec une courte durée de stockage (de l'ordre de quelques dizaines de minutes seulement). Cette durée est très insuffisante pour envisager un stockage d'énergie significatif. Enfin ces deux technologies font appel à du stockage à haute, voire très haute température, entrainant des risques de brûlure pour les utilisateurs. 20 Il a été proposé d'utiliser la technologie des matériaux à changement de phase (MCP) dans des applications de stockage d'énergie, mais elle présente toujours le même inconvénient, à savoir une mauvaise conductivité thermique des matériaux qui pénalisent les échanges et donc la performance du système. De plus, un système classique de stockage avec des MCP est donc un système 25 peu réactif et lent, ce qui implique de les utiliser dans des petits volumes. Un but de la présente invention est de proposer un appareil de chauffage mettant en oeuvre un dispositif de stockage thermoélectrique saisonnier exempt des inconvénients susmentionnés. Selon l'invention, ce but est atteint grâce à un dispositif de stockage remarquable en ce qu'il est constitué d'un matériau à changement de phase 3024215 - 3 - (MCP) apte à stocker l'énergie électrique sous forme de chaleur latente associé à un système de conduction et d'homogénéisation thermique. Le dispositif selon l'invention procure plusieurs avantages intéressants. Notamment : 5 - de permettre un stockage et un déstockage rapide de l'énergie ; d'autoriser une capacité de stockage de plusieurs heures en utilisant un noyau de stockage à chaleur latente permettant de restituer progressivement la chaleur ainsi stockée ; - de constituer une solution performante, décentralisée, et peu coûteuse à la 10 question du stockage d'énergie ; - de permettre la valorisation des énergies intermittentes. Selon un mode de réalisation avantageux, le matériau à changement de phase est un matériau à changement de phase solide/liquide. Selon un mode de réalisation, le matériau à changement de phase est un 15 matériau organique, avec une température de fusion de comprise entre 85°C et 200° C. Selon un mode de réalisation préféré et avantageux, le matériau à changement de phase est un matériau organique, avec une température de fusion de l'ordre de 120°C. 20 Selon un exemple de réalisation avantageux, le matériau à changement de phase est un polyol. Selon un exemple de réalisation préféré, le matériau à changement de phase est de l'érythritol. Selon un exemple de réalisation, le système de conduction et 25 d'homogénéisation thermique est constitué par un échangeur thermique. Selon un exemple de réalisation, le dispositif de conduction et d'homogénéisation thermique est constitué par des ailettes de diffusion. 3024215 - 4 - Selon un exemple de réalisation avantageux, le système de conduction et d'homogénéisation thermique est constitué par une mousse métallique. Selon un exemple de réalisation préféré, la mousse métallique est une mousse d'aluminium. 5 Selon un mode de réalisation avantageux, la mousse d'aluminium présente un taux de porosité compris entre 70% et 95%. Selon un mode de réalisation préféré, la mousse d'aluminium présente un taux de porosité de 90%. Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de stockage selon 10 l'invention est configuré pour être couplé à des appareils de production de chauffage ou à des sources d'énergies renouvelables. Cette solution permet ainsi de démultiplier les points de stockage jusqu'à une échelle domestique, et de contribuer ainsi à lisser efficacement les pics de consommation électriques. L'invention concerne encore un appareil de chauffage comprenant un bâti 15 dont une face arrière du bâti est apte à être fixée à une paroi d'une pièce à chauffer, le bâti étant relié à un élément rayonnant formant une façade de l'appareil, ledit bâti renfermant un noyau constitué par un dispositif de stockage comprenant l'une quelconque des caractéristiques susmentionnées. Selon un exemple de réalisation avantageux, l'appareil de chauffage 20 comporte un volet mobile permettant de limiter ou de favoriser la restitution de chaleur par convection. Selon un mode de réalisation, l'appareil de chauffage est muni d'au moins une turbine de restitution de la chaleur accumulée. Selon un exemple de réalisation avantageux, la façade de l'appareil de 25 chauffage est réalisée en tout matériau possédant de bonnes propriétés thermiques. Selon un exemple de réalisation préféré, la façade de l'appareil de chauffage est réalisée en verre. 3024215 - 5 - Selon un exemple de réalisation avantageux, l'appareil de chauffage est équipé d'un dispositif de gestion et de commande électronique permettant l'optimisation des besoins en chaleur, et donc du déstockage d'énergie. Selon un exemple de réalisation avantageux, l'appareil de chauffage est 5 équipé d'un dispositif de communication avec le gestionnaire de réseau électrique permettant une gestion intelligente de la consommation énergétique. Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus, et d'autres encore, ressortiront mieux de la description détaillée qui suit et du dessin annexé dans lequel : 10 La figure 1 représente une vue en perspective éclatée d'un appareil de chauffage selon l'invention. On se réfère audit dessin pour décrire des exemples intéressants quoique nullement limitatifs, de réalisation du dispositif de stockage thermoélectrique saisonnier selon l'invention, et de l'appareil de chauffage domestique mettant en 15 oeuvre un tel dispositif de stockage. Le dispositif de stockage selon l'invention est constitué d'un matériau à changement de phase (MCP) apte à stocker l'énergie électrique sous forme de chaleur latente associé à un système de conduction et d'homogénéisation thermique. 20 Le dispositif de stockage selon l'invention constitue un noyau de stockage à chaleur latente composé d'au moins un matériau à changement de phase, notamment solide/liquide. Afin de disposer d'une température homogène au sein de ce noyau, ce matériau à changement de phase est associé à un système de conduction thermique. La combinaison de ces deux critères permet de fournir un 25 système puissant et d'une grande densité énergétique. De manière avantageuse, le matériau à changement de phase est un matériau à changement de phase solide/liquide. Avantageusement, c'est un matériau organique, avec une température de fusion comprise entre 85°C et 200° C. 3024215 - 6 - Préférentiellement, le matériau à changement de phase est un matériau organique, avec une température de fusion de l'ordre de 120°C. De manière avantageuse, le matériau à changement de phase est un polyol, et de préférence un polyol d'origine naturelle. Par exemple le matériau à 5 changement de phase est du xylitol ayant une température de fusion de l'ordre de 94°C, ou du mannitol ayant une température de fLsion de l'ordre de 165°C, ou encore du dulcitol (galactitol) ayant une température de fusion de l'ordre de 188°C. De préférence, le matériau à changement de phase est de l'érythritol ayant une température de fusion de l'ordre de 118°C 10 Le système de conduction thermique est par exemple constitué par un échangeur thermique connu en soi, ou encore des ailettes de diffusion. Avantageusement, le système de conduction thermique est constitué par une mousse métallique. De préférence, il est constitué par une mousse d'aluminium. En effet, en plus de présenter de très bonnes qualités de 15 conductivité de la chaleur et de l'électricité, la mousse d'aluminium offre, par sa structure alvéolaire, un support pour intégrer le matériau à changement de phase. Cette combinaison procure un dispositif de stockage d'énergie dense et réactif. De plus, la mousse d'aluminium est un matériau léger. Il présente également un faible impact environnemental car il peut être obtenu à partir 20 d'aluminium recyclé, et est lui-même entièrement recyclable. La mousse d'aluminium présente un taux de porosité compris entre 70% et 95%. De manière optimale, elle présente un taux de porosité de 90%. Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de stockage selon l'invention est configuré pour être couplé à des sources d'énergies 25 renouvelables, constituant ainsi des points de stockage d'énergie décentralisés pouvant être déployé sur l'ensemble du parc de logement existant jusqu'à une échelle domestique, et de contribuer ainsi à lisser efficacement les pics de consommation électriques. En effet, l'électricité transitant sur le réseau moyenne tension génère des pertes d'énergie très importantes de sorte qu'un tel stockage 30 diffus permet de limiter les transits d'électrons sur les lignes moyenne et basse tension, et par conséquent, de limiter les pertes. 3024215 - 7 - Selon encore un mode de réalisation avantageux, le dispositif de stockage selon l'invention est configuré pour être couplé à des appareils de production de chauffage. Ainsi, ce n'est pas l'énergie électrique qui est stockée mais cette dernière 5 est transformée en énergie thermique. Le dispositif de stockage est volontairement non isolé thermiquement afin que les déperditions thermiques soient utilisées pour chauffer un local. Un tel dispositif de stockage possède une capacité d'accumulation de plusieurs heures, cette capacité étant rendue possible par l'emploi de matériaux légers, compacts et possédant une grande 10 densité énergétique. Pour moduler ces déperditions thermiques, l'appareil possède une isolation thermique plus ou moins importante, notamment par l'utilisation de matériaux isolants de type laine minérale. Ce dispositif peut donc être utilisé pour chauffer un local à partir d'énergies renouvelables. 15 L'invention concerne encore un appareil de chauffage 1 comprenant un bâti dont une face arrière 2 du bâti est apte à être fixée à une paroi d'un pièce à chauffer, le bâti étant relié à un élément rayonnant 3 formant une façade de l'appareil, ledit bâti renfermant un noyau 4 constitué par un dispositif de stockage comprenant l'une quelconque des caractéristiques susmentionnées. 20 Par exemple, le volume intérieur utile de l'appareil de chauffage 1 est de l'ordre de 40 dm3, et est entièrement rempli de mousse d'aluminium et de matériaux à changement de phase constituant le noyau 4. Le système de conduction et d'homogénéisation thermique du noyau de stockage 4, par exemple constitué par la mousse d'aluminium, joue le rôle 25 d'échangeur entre la façade rayonnante 3 de l'appareil de chauffage et le matériau à changement de phase. La façade rayonnante 3 de l'appareil de chauffage selon l'invention est réalisée en tout matériau possédant de bonnes propriétés thermiques. Selon un exemple nullement limitatif, cette façade rayonnante 3 est réalisée en verre. 3024215 - 8 - L'appareil de chauffage selon l'invention est encore muni, par exemple en partie basse, au moins une turbine 5 de restitution de la chaleur accumulée. Ainsi, la chaleur stockée par le noyau de stockage 4 est progressivement restituée dans la pièce équipée de l'appareil de chauffage 1 principalement par 5 rayonnement infra-rouge, qui constitue une source de confort pour les occupants de ladite pièce, mais également par convection naturelle, et par convection forcée, à l'aide de la ou des turbines 5. L'appareil est encore muni d'un filtre à air, par exemple du type HEPA (High Efficiency Particulate Air) permettant de filtrer l'air issu de la ou des 10 turbines 5. De préférence et avantageusement, l'appareil de chauffage 1 comporte encore un volet mobile 6 permettant soit de limiter, soit de favoriser la restitution de chaleur par convection, en fonction du niveau de charge de l'appareil. La quantité d'énergie thermique restituée dans la pièce dépend ainsi de la 15 température du noyau 4, ainsi que de la position du volet mobile 6 de convection et du fonctionnement, ou non, d'une turbine additionnelle 5. Avantageusement, l'appareil de chauffage comprend une électronique de gestion et de commande 7 muni d'un clavier de commande et d'un écran de contrôle permettant de piloter un ensemble de fonctions intelligentes telles que la 20 détection de présence, la détection d'ouverture de fenêtre, une auto-programmation des paramètres de fonctionnement, ... afin d'optimiser les besoins de chaleur, et donc le déstockage d'énergie. Selon une caractéristique intéressante, l'appareil de chauffage et de stockage selon l'invention 1 est équipé d'un dispositif de communication avec le 25 gestionnaire de réseau électrique (non représenté) permettant une gestion intelligente de la consommation énergétique. Ainsi, lors de pic de production, ou de baisse de la demande, le gestionnaire envoie une consigne à une pluralité d'appareils de chauffage et de stockage selon l'invention constituant une installation destinée à chauffée un logement, indiquant à ces derniers l'instruction 30 de stocker le surplus d'énergie. A l'inverse, en cas de baisse de production, due 3024215 - 9 - par exemple à des conditions météorologiques défavorables, ou à un incident sur le réseau électrique, le gestionnaire de réseau envoie une consigne de déstockage de l'énergie emmagasinée aux appareils 1, afin que ces derniers assurent les besoins en chauffage du logement pendant une durée suffisamment 5 longue. Autrement dit, les appareils 1 sont alors déconnectés du réseau, et utilisent l'énergie stockée dans leur noyau 4 pour assurer les besoins en chaleur du logement qu'ils équipent. L'appareil 1 selon l'invention permet donc de disposer d'une réserve d'énergie utilisable rapidement, assurant une fonction de stabilité du réseau et d'effacement de pointe. 10 Lorsqu'il est déchargé, le noyau de stockage 4 de chaque appareil de chauffage 1 est de nouveau disponible pour stocker de l'énergie. Le stockage à chaleur latente du dispositif de stockage selon l'invention procure plusieurs avantages intéressants par rapport au stockage à chaleur sensible. Par exemple, il permet de fournir un appareil de chauffage 1 présentant 15 un long palier de température, de plusieurs heures, du noyau, favorisant ainsi le réglage de la température de soufflage, et par conséquent, de la température de la pièce. Associé au système de conduction et d'homogénéisation de la chaleur, il permet de disposer d'un système de stockage puissant et réactif. De plus, il permet un stockage à basse température, garantissant des avantages évidents 20 en matière de sécurité des appareil de chauffage mettant en oeuvre un tel dispositif de stockage, constituant des systèmes efficaces et sains de chauffage d'une pièce. REVENDICATIONS1. Dispositif de stockage caractérisé en ce qu'il est constitué d'un matériau à changement de phase apte à stocker l'énergie électrique sous forme de chaleur latente associé à un système de conduction et d'homogénéisation thermique. 2. Dispositif de stockage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase est un matériau à changement de phase solide/liquide. 3. Dispositif de stockage suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase est un matériau organique, avec une température de fusion comprise entre 85°C et 200°C. 4. Dispositif de stockage selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase est un matériau organique, avec une température de fusion de l'ordre de 120°C. 5. Dispositif de stockage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase est un polyol. 6. Dispositif de stockage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase est de l'érythritol 7. Dispositif de stockage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le système de conduction et d'homogénéisation thermique est constitué par une mousse métallique. 8. Dispositif de stockage selon la revendication 7, caractérisé en ce que la mousse métallique est une mousse d'aluminium. 3024215 9. Dispositif de stockage suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la mousse d'aluminium présente un taux de porosité compris entre 70% et 95%. 5 10. Dispositif de stockage selon la revendication 9, caractérisé en ce que la mousse d'aluminium présente un taux de porosité de 90%. 11. Dispositif de stockage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est configuré pour être couplé à des appareils 10 de production de chauffage ou à des sources d'énergies renouvelables. 12. Appareil de chauffage (1), caractérisé en ce qu'il comprend un bâti dont une face arrière (2) du bâti est apte à être fixée à une paroi d'une pièce à chauffer, le bâti étant relié à un élément rayonnant formant une façade (3) 15 de l'appareil, ledit bâti renfermant un noyau constitué par un dispositif de stockage (4) réalisé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11. 13. Appareil de chauffage selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte un volet mobile permettant de limiter ou de favoriser la 20 restitution de chaleur par convection. 14. Appareil de chauffage suivant l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il est muni d'au moins une turbine (5) de restitution de la chaleur accumulée. 25 15. Appareil de chauffage selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que la façade de l'appareil de chauffage est réalisée en tout matériau possédant de bonnes propriétés thermiques. 30 16. Appareil de chauffage suivant la revendication 15, caractérisé en ce que la façade de l'appareil de chauffage est réalisée en verre. 17. Appareil de chauffage selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif (7) de gestion et de 3024215 -12- commande électronique permettant l'optimisation des besoins en chaleur, et donc du déstockage d'énergie. 18. Appareil de chauffage selon l'une quelconque des revendications 12 à 17, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif de communication avec le gestionnaire de réseau électrique permettant une gestion intelligente de la consommation énergétique.