Brevet FR3048494A1 — publié le 20170908

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention porte sur un dispositif de stockage d'énergie par matériau à changement de phase et un procédé de stockage associé. Ainsi, le domaine de l'invention concerne les Systèmes de Stockage Thermiques (SST) par Matériaux à Changement de Phase (MCP), et plus particulièrement, l'intégration d'un système permettant la flexibilité de l'énergie stockée. Parmi ces systèmes, la présente invention trouve pour application avantageuse les SST par MCP de type tubes et calandre. L'invention trouvera par exemple son application dans les réseaux de chaleur urbains, ruraux ou industriels ainsi que dans le stockage de l'énergie solaire et dans le stockage pour l'habitat. L'invention pourra également trouver des applications dans le développement des réseaux électriques et thermiques intelligents dits « smartgrid », ainsi que dans les interactions entre ces réseaux. L'invention pourra enfin trouver des applications dans le transport de la chaleur hors réseaux par l'intermédiaire de tout véhicule (exemples : camions, trains, bateau...). ETAT DE LA TECHNIQUE Les réseaux de chaleur sont constitués d'au moins une source de chaleur (centrale thermique, panneaux solaires thermiques, source géothermique,...), d'un réseau de fluide permettant le transport des calories aux usagers par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur et éventuellement d'un réseau de retour. A chaque abonné correspond un échangeur de chaleur permettant le transfert thermique du circuit primaire (réseau relié à la source de chaleur) à un circuit secondaire. Ce second circuit est la propriété de l'abonné et est parcouru par de l'eau chaude ( La charge d'un réseau de chaleur est très fluctuante, en moyenne sur l'année les unités de production fonctionnent à 25% de leur capacité. Ce qui implique que les pics de consommation sont quatre fois plus importants que la charge moyenne. Ces pics (matin, soir) représentent environ 30% de la consommation thermique d'une journée de chauffe typique. Les générateurs d'appoint (et de secours) sont généralement des centrales thermiques au fioul lourd, au gaz naturel ou au charbon, polluantes et pas toujours bon marché. L'utilisation d'un système de stockage thermique qui emmagasinerait des calories pendant que la demande est basse et les réinjecterait sur le réseau pendant les pics de consommations pourrait pallier ce problème. Le stockage thermique peut être réalisé par changement d'état caractérisé par une enthalpie de transformation. Dans ce cas, le stockage se fait par matériau à 3048494 2 changement de phase. C'est l'enthalpie de changement de phase, le plus souvent lors du changement d'état solide/liquide, qui est stockée. Cette énergie, qui est absorbée lors de la fusion et libérée lors de la solidification, résulte de l'établissement, ou de la rupture, ou de la modification de liaisons intermoléculaires. La charge du système de 5 stockage s'accompagne de la fusion du matériau de stockage, tandis que la décharge est réalisée par la solidification dudit matériau. La quantité d'énergie thermique stockée s'exprime avec la relation suivante : 4Q = m.h _Iv m Masse [kg] 10 h_Iv Enthalpie massique de changement de phase solide-liquide [kJ/kg] Un des avantages majeurs de cette technologie est que le changement de phase se fait à pression et température constantes. Par conséquent, la décharge de l'énergie stockée peut se faire à température quasiment constante et proche de la température de changement de phase. 15 L'enthalpie de changement de phase est relativement importante en comparaison de la variation d'énergie sensible d'un matériau. Par conséquent, les systèmes de stockage avec MCP sont intéressants car la quantité d'énergie stockée par unité de volume (et de masse) est supérieure à celle obtenue par un système sensible (meilleure densité de stockage). De ce fait les volumes de stockage et de 20 matériaux sont réduits, ce qui diminue le prix du système, et limite les pertes thermiques qui sont proportionnelles à la surface extérieure du réservoir. On connait notamment les technologies de macro-encapsulation du MCP, de stockage avec contact direct et d'échangeur tube et calandre. La macro-encapsulation du MCP consiste à placer dans un réservoir des 25 modules étanches comprenant un MCP. Ces modules sont plongés dans un fluide caloporteur qui s'écoule le long des modules. Le fluide caloporteur et le MCP vont échanger de la chaleur. Le fluide caloporteur va en céder au MCP pendant la charge, ce qui entrainera la fusion de ce dernier. Le MCP va céder de la chaleur au fluide caloporteur pendant la décharge, ce qui entrainera la solidification de ce premier. 30 Le stockage thermique par changement de phase d'un matériau est dit « à contact direct » si le MCP est en contact direct avec le fluide caloporteur. A titre d'exemple, pendant la charge, de l'huile chaude arrive par un tube d'alimentation et cède de l'énergie au MCP, entrainant la fonte de celui-ci. Ayant une densité plus faible que le MCP, l'huile remonte dans la partie haute du réservoir où elle 35 est pompée pour retourner dans l'échangeur où elle est réchauffée. Au cours de la décharge, l'huile froide arrive par le tube d'alimentation, elle monte en température en 3048494 3 échangeant de l'énergie avec le MCP qui se solidifie, puis remonte dans la partie haute du réservoir où elle est de nouveau pompée ; dans l'échangeur, l'huile cède de la chaleur à un fluide secondaire. La technologie d'échangeur dit à tube et calandre est bien connue : une calandre 5 dans laquelle circule un fluide est parcourue par un faisceau de tubes dans lesquels un autre fluide s'écoule. Les deux fluides échangent de l'énergie par conduction à travers l'épaisseur des tubes. Dans le cas du stockage thermique cette technologie est adaptée, il n'y a plus échange entre deux fluides en mouvement, mais entre un fluide caloporteur qui circule dans les tubes et le MCP qui est fixe dans la calandre (mis à 10 part les mouvements de convection naturelle en phase liquide). Lors de la charge, le fluide caloporteur arrive à une température supérieure à la température de fusion du MCP et cède de l'énergie à celui-ci, ce qui entraine sa fusion ; lors de la décharge, le fluide caloporteur entre à une température inférieure à la température de fusion du MCP et récupère l'énergie précédemment stockée, ce qui entraine la solidification du 15 MCP. L'objectif principal de ce type de réservoir de stockage est de stocker une grande quantité d'énergie dans un petit volume d'une part, tout en garantissant d'autre part des temps de charge et décharge relativement courts, typiquement de quelques heures. Les deux grandeurs à optimiser sont respectivement la densité de stockage et 20 la puissance thermique. Hors l'amélioration de la densité de stockage se fait bien souvent au détriment de la puissance thermique et inversement. Le stockage thermique s'est récemment développé autour des centrales solaires thermodynamiques afin de pallier l'intermittence de la ressource solaire. Aujourd'hui, la thématique du stockage thermique concerne également l'habitat et les réseaux de 25 chaleur. Par ailleurs, des solutions proposent d'ajouter une charge électrique, en plus de la charge thermique, afin de profiter du prix attractif de l'électricité lors des périodes de surproduction électrique. Hors, avec l'augmentation de la part d'énergie renouvelable sur les réseaux électriques, les périodes de surproduction électrique sont en hausse. 30 La demande de brevet US20110083459 décrit un dispositif dans lequel une charge électrique est responsable du changement d'état du MCP. Plus précisément, ce document décrit un dispositif de stockage thermique par enthalpie de changement de phase pour réseau de chaleur. Des modules cylindriques de MCP encapsulés sont positionnés verticalement dans le réservoir de stockage et baignent dans de l'huile 35 thermique. Deux résistances électriques sont disposées en haut et en bas du réservoir et servent d'éléments chauffants. Ce système de stockage se charge avec l'électricité 3048494 4 et se décharge sous forme thermique. Avec cette solution il existe un risque significatif que l'huile chauffée entraîne la fusion du MCP dans la partie basse des modules. Or beaucoup de MCP présentent une forte variation volumique lors de leur changement de phase, une charge non contrôlée dans laquelle le liquide ne peut pas s'expandre 5 présente ainsi un fort risque de rupture mécanique du fait des contraintes engendrées. Par ailleurs, le réservoir ne peut être chargé qu'avec de l'énergie électrique, ce qui ne présente que peu d'intérêt dans le domaine des réseaux de chaleur où les surplus d'énergie thermique doivent aussi pouvoir être stockés. Il existe donc le besoin de proposer un dispositif permettant d'associer une 10 charge électrique et une charge thermique tout en présentant une densité de stockage et une puissance thermique satisfaisantes. RÉSUMÉ DE L'INVENTION La présente invention propose à cet effet un dispositif de stockage d'énergie par 15 matériau à changement de phase comprenant une enceinte et un matériau à changement de phase destiné à être contenu dans ladite enceinte et une source de chaleur thermique comprenant un fluide caloporteur traversant ladite enceinte pour apporter et extraire de la chaleur audit MCP. Le dispositif comprend aussi une source d'énergie électrique permettant d'apporter de la chaleur audit MCP. 20 La source de chaleur électrique permet de générer de la chaleur transmise au MCP qui stocke l'énergie thermique d'origine électrique par effet Joule. En parallèle, le stockage de l'énergie thermique se fait par le fluide caloporteur qui la transmet au MCP. Avantageusement, la récupération de l'énergie thermique issue indifféremment de l'énergie électrique ou de l'énergie thermique est réalisée par le fluide caloporteur 25 sous forme de chaleur. Le dispositif de stockage selon l'invention comprend un dispositif de régulation de la température du fluide caloporteur. Le dispositif de régulation permet de contrôler la température du fluide caloporteur lors de l'utilisation du système de chauffe électrique, afin d'éviter un surchauffe du fluide caloporteur, du MCP, ou des systèmes 30 de chauffe électrique eux-mêmes. Avantageusement, le dispositif est de type tubes et calandre. L'invention intègre au moins un élément de restriction de section inséré à l'intérieur des zones de circulation du fluide caloporteur. Au moins certains de ces éléments de restrictions comprennent au moins un élément chauffant alimenté en 35 électricité. Ces éléments chauffants sont formés ou sont portés par l'au moins un 3048494 5 élément de restriction de section et sont configurés pour chauffer au moins en partie l'au moins un élément de restriction de section. Ces éléments de restriction associés à des éléments chauffants permettent, une restriction de la section de passage du fluide caloporteur et donc une amélioration des 5 transferts thermiques grâce à une vitesse de fluide plus importante pour un même débit et/ ou un diamètre hydraulique plus faible. Les éléments chauffants associés aux éléments de restriction assurent l'homogénéisation de la chauffe électrique. L'invention contribue de manière avantageuse à fournir une amélioration des transferts thermiques grâce à une augmentation de la vitesse du fluide caloporteur 10 pour un même débit, sans pour autant modifier la densité de stockage du système complet. L'invention contribue également à une utilisation efficace de l'énergie électrique produite lors des périodes de surproduction électrique. Ainsi l'invention permet d'associer une charge électrique et une charge 15 thermique tout en présentant une densité de stockage et une puissance thermique très satisfaisantes. L'invention peut avoir plusieurs fonctionnements, à titre d'exemple les régimes possibles sont le régime de charge en circuit fermé, alors intégralement électrique; ainsi que les régimes de charge en circuit ouvert, correspondant à la charge thermique, 20 la décharge thermique, les charges thermiques et électriques simultanées, et la décharge thermique avec un appoint électrique. Dans ces deux derniers cas, la puissance électrique pourra aller selon les régimes et le lieu d'implantation des charges électriques soit directement vers l'application (la charge électrique est par exemple réalisée dans le collecteur supérieur), soit partiellement vers l'application et 25 partiellement vers le MCP (la charge électrique est par exemple réalisée le long des éléments de restriction de section). Un autre régime peut être envisagé dans le cas des charges électriques le long des restrictions de section correspondant à la charge électrique sans débit de fluide. Par ailleurs, les éléments de restrictions améliorent l'échange thermique sans 30 modifier la densité de stockage du système complet. De plus, contrairement à un système de type macro-encapsulation, le volume consacré au fluide caloporteur dans un système tubes et calandre est diminué en faveur du volume destiné à stocker le MCP, favorisant la densité de stockage du MCP. Le MCP n'étant pas encapsulé, le système est moins soumis aux sollicitations 35 mécaniques dues aux variations de masse volumique lors des changements de phase. Par ailleurs, le système avec encapsulation du MCP présenté dans la demande de 3048494 6 brevet US20110083459 ne permet pas de conduire efficacement la chaleur jusqu'au coeur du matériau. En effet, les MCP présentent bien souvent une conductivité thermique très faible ( REVENDICATIONS1- Dispositif de stockage d'énergie thermique par matériau à changement de phase (MCP) comprenant une enceinte (10) de stockage comprenant : - un volume de rétention (11) comprenant au moins un MCP (7), - des zones de circulation (4) traversant le MCP (7) et destinées à contenir un fluide caloporteur pour le faire circuler dans le volume de rétention (11) comprenant le MCP (7), caractérisé en ce qu'il comprend des éléments de restriction (9, 15) de section agencés au moins partiellement à l'intérieur d'au moins certaines zones de circulation (4) du fluide caloporteur (3) de sorte à réduire la section de passage du fluide caloporteur (3) dans au moins une partie des zones de circulation (4), au moins un élément de restriction (9,15) de section comprenant au moins un élément chauffant (9, 16) alimenté en électricité et configuré pour chauffer au moins en partie l'élément de restriction de section (9,15). 2- Dispositif selon la revendication précédente dans lequel le ratio entre la section de l'élément de restriction (9,15) et la section des zones de circulation (4) est supérieur à 20 %, éventuellement supérieur à 50%, voire supérieur à 75%, et de préférence compris entre 50% et 90%. 3- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'enceinte (10) comprend une région (5) de distribution du fluide caloporteur (3) vers les zones de circulation (4) et une région de collecte (6) du fluide caloporteur (3) provenant des zones de circulation (4), la région de distribution (5) et la région de collecte (6) étant agencées de manière opposées de part et d'autre des zones de circulation (4) du fluide caloporteur (3). 4- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel au moins un élément de restriction (15) est creux, dans lequel au moins un MCP additionnel (19) est disposé dans le creux dudit élément de restriction (15) et dans lequel l'élément chauffant (16) est disposé dans le creux de l'élément de restriction (15) et au contact du MCP additionnel (19). 5- Dispositif selon la revendication précédente dans lequel ledit élément chauffant (16) est une cartouche chauffante. 3048494 26 6- Dispositif selon l'une quelconque des deux revendications précédentes prise dans sa combinaison avec la revendication 5, dans lequel la région de distribution (5) comprend une réduction de section du passage du fluide caloporteur (3) au niveau de l'élément chauffant (16), tel qu'une chicane 5 (17) 7- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'élément de restriction (15) s'étend principalement selon une direction longitudinale, et dans lequel l'élément chauffant (9) s'étend sur une portion seulement de la dimension longitudinale de l'élément de 10 restriction (15) située au regard du MCP (7). 8- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'élément de restriction (15) s'étend principalement selon une direction longitudinale, et dans lequel l'élément chauffant (9) s'étend sur toute la dimension longitudinale de l'élément de restriction (15) située au regard du 15 MCP (7) . 9- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et 7 à 8, dans lequel l'élément de restriction (15) comprend un barreau (9) chauffant. 10- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel tous les éléments de restriction (15) de section comprennent un 20 élément chauffant (9,12). 11- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les zones de circulation du fluide caloporteur (3) comprennent des tubes (2) creux permettant le passage du fluide caloporteur (3). 12- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes 25 comprenant au moins un élément intermédiaire situé entre une face interne d'au moins une zone de circulation (4) du fluide caloporteur (3) et une face externe de l'élément de restriction (9, 15) de section et dans lequel l'élément intermédiaire est conformé pour réaliser un centrage de l'élément de restriction (9, 15) de section à l'intérieur de la zone de circulation (4) 30 et/ou pour augmenter l'échange de chaleur par convection lors de l'écoulement de ce dernier entre la face externe de la zone de circulation (4) du fluide et la face externe de l'élément de restriction (9, 15) de section et /ou pour guider le fluide caloporteur lors de l'écoulement de ce dernier entre la face interne de la zone de circulation (4) du fluide et la face externe 35 de l'élément de restriction (9, 15) de section. 3048494 27 13- Dispositif selon la revendication précédente dans lequel l'élément intermédiaire est porté ou formé par la face externe de l'élément de restriction (9, 15) de section. 14- Dispositif selon l'une quelconque des deux revendications précédentes 5 dans lequel l'élément intermédiaire présente une forme hélicoïdale, notamment formé par un fil (13) enroulé autour de la face externe de l'élément de restriction (9, 15) de section, ou un filetage réalisé dans la face externe de l'élément de restriction (9, 15) de section, ou d'une pluralité de disques ajourés s'étendant selon une direction sensiblement 10 perpendiculaire à la direction principale selon laquelle l'élément de restriction (9, 15) s'étend. 15- Procédé de stockage et de déstockage d'énergie thermique par un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend : 15 a. une phase de stockage d'énergie électrique dans laquelle l'élément chauffant et/ou le fluide caloporteur transmettent de la chaleur au MCP (7) qui stocke l'énergie thermique en changeant d'état, b. une phase de déstockage d'énergie thermique dans laquelle le fluide caloporteur (3) refroidit le MCP (7) qui change d'état pour libérer de 20 l'énergie thermique qui est alors récupérée par le fluide caloporteur (3).