Le stockage intersaisonnier de chaleur
La gestion de l'énergie fait aujourd'hui l'objet de nombreuses réflexions et expérimentations. A l'occasion d'une conversation autour de la fontaine, s'est posée la question du stockage de chaleur acquise durant l'été pour assurer le chauffage d'hiver.
Une petite recherche dans la littérature permet de préciser la situation technique aujourd'hui.
La vallée d'Arvieux est orientée Nord-Sud et reçoit l'été un rayonnement solaire important d'environ 6 kWh/m2/jour. Mais l'hiver le soleil est bas, masqué par le relief, et l'énergie reçue n'est probablement plus que de 1 kWh/m2/jour; Les températures froides pouvant atteindre -20°C obligent à une consommation d'énergie thermique de l'ordre de 120 kWh/m2 de surface habitable pour les 6 mois les plus froids. Dans la suite du texte pour exemple, on considère un stockage de 5000 kWh.
On pense donc naturellement à la possibilité de stocker l'énergie solaire de l'été pour la restituer l'hiver.
Une forme très ancienne de stockage de l'énergie solaire est le bois. La photosynthèse permet de produire un combustible avec une densité énergétique d'environ 1600 kWh/stère (2 kWh/l). Mais le cycle du bois est long (à Arvieux il faut plus d'un siècle pour qu'un arbre atteigne 1 m3), laborieux (même une simple bûche est manipulée plusieurs fois entre l'arbre sur pied et le poêle), la régulation de la combustion n'est pas aisée et les fumées de combustion contiennent de nombreuses fines particules.
Il existe aujourd'hui plusieurs autres techniques, à des degrés divers de développement, permettant de stocker l'énergie thermique.
1.L'utilisation de la capacité calorifique élevée de l'eau
En passant de 80°C à 30°C l'eau restitue 60 kWh/m3. Des installations de grandes dimensions destinées à servir des centaines de logement ont par exemple été réalisées en Allemagne et au Danemark depuis plus de vingt ans. Les cas les plus fréquents correspondent à des réserves d'eau de 2000 à 20000 m3. Ces installations sont bien décrites dans la littérature.
L'installation de stockage de la ville de Marstal au Danemark est un des plus anciennes et des plus grandes avec une réserve de 75 000 m3. Sa réalisation avait été précédée de plusieurs installations de moindre volume depuis 1998.
L'efficacité du stockage de l'énergie solaire d'été pour le chauffage d'hiver est donc bien documentée.
2. L'utilisation de la chaleur latente de changement d'état
L'exemple le plus fréquent est la fusion/solidification du salpêtre (en fait 60% NaNO3 - 40% KNO3).
Cette technique est utilisée dans de nombreuses centrales solaires thermiques pour restituer de l'énergie durant la nuit (la centrale peut ainsi générer de l'énergie de manière continue, y compris en l'absence de soleil). La restitution est également de 60 kWh/m3 mais à température plus élevée.
3. L'utilisation de la variation d'énergie associée à des réactions chimiques réversibles
Un exemple bien étudié est l'hydratation du sulfate de magnésium (connu en cosmétique sous le nom de sel d'Epsom). La chaleur restituée lors de l'hydratation est de 640 kWh/m3. Si de nombreuses publications existent, il ne semble y avoir aujourd'hui aucun système industrialisé.
L'une des difficultés rencontrées est la maîtrise des changements d'état du sel, avec formation de croûte cristalline lors de l'hydratation. L'une des solutions étudiées est de disperser le sel sur du charbon végétal (charbon de bois par exemple) : Lors des cycles hydratation / déhydratation le sulfate de magnesium prend une forme solide filamentaire mais ne s'agglomère pas.
Le taux de sulfate de magnesium optimal semble être de 30% en poids, ce qui conduit pour le composite à une restitution de 250 kWh/m3.
Pour 5000 kWh avec une déperdition par conduction de 10%, on a donc besoin d'un volume de 22 m3.
Ce volume de 22m3, augmenté de l'isolation thermique nécessaire, correspond au volume des anciennes fosses à purin que l'on trouve dans chaque ancienne maison du Coin, auparavant maison fermière.
Avant de construire un micro-pilote ou un pilote, reste à faire une simulation prenant en compte les échanges et les pertes thermiques : A nos claviers et on se retrouve à la fontaine !
Références :
Parmi de nombreux textes, on peut citer les articles suivants, disponibles en accès libre :
Sergii Bespalko,Alberto Munoz Miranda, Oleksii Halychyi,
Overview of the existing heat storage technologies : sensible heat.
Acta Innovations • ISSN 2300-5599 • 2018 • no. 28: 82-113 • 82
Gbenou,T.R.S.;Fopah-Lele, A.; Wang, K.
Recent Status and Prospects on Thermochemical Heat Storage Processes and Applications.
Entropy 2021,23,953.
Simona Bennici, Patrick Dutournié, Jérémy Cathalan, Mohamed Zbair, Minh Hoang Nguyen, Elliot Scuiller, Cyril Vaulot,
Heat storage: Hydration investigation of MgSO4/active carbon composites, from material development to domestic applications scenarios.
Renewable and Sustainable Energy Reviews,Volume 158,2022,112197.