Soutenance mémoire
Matériaux sous forme liquide
Le stockage sous forme thermique peut être réalisé à l’aide de matériaux liquides. Un exemple naturel est le stockage dans les aquifères (Aquifer Thermal Energy Storage : ATER), qui se présentent sous forme de réservoirs liquides souterrains contenant de l’eau la plupart du temps et qui emmagasinent de la chaleur, maintenant l’eau à température constante grâce à la porosité du sol, et pouvant la restituer par la suite. Ce type de système naturel peut être adapté directement à l’aide d’un réservoir chauffé, qui déstocke ensuite cette chaleur pour différentes applications. L’eau est un des meilleurs liquides de stockage puisqu’elle est peu coûteuse, non toxique et possède une grande chaleur spécifique (Sharma, Tyagi, Chen & Buddhi., 2009). En revanche, l’inconvénient majeur de cette technique de stockage est le changement possible de phase du matériau, il faut donc faire attention à travailler dans des plages évitant tout changement de phase ou avec des réservoirs capables de contenir l’eau à sa pression de vapeur saturante. C’est notamment le principal problème avec l’utilisation de l’eau, puisqu’elle peut geler ou bouillir dans une plage de température relativement faible (entre 0°C et 100°C à pression atmosphérique).
D’autres liquides peuvent être utilisés pour fonctionner à des plages de températures plus élevées, à partir de 100°C, c’est le cas pour certaines huiles ou certains sels inorganiques. Mais ces liquides posent aussi leur part de problèmes de par leur utilisation puisque la plupart de ces huiles sont corrosives et peuvent se dégrader avec le temps ou bien même s’enflammer si la température d’utilisation est trop élevée. L’usage de gaz inertes avec les huiles permet de pallier à ce problème, mais la combinaison augmente le coût et limite de ce fait le système à de petits systèmes de stockage (Ataer, 2006).
De plus, pour pouvoir stocker ces liquides, souvent à hautes températures, il faut utiliser des réservoirs pouvant résister à ces températures élevées et qui permettent de garder la température à des valeurs relativement constantes pour limiter les pertes par échange thermique avec l’extérieur. Les systèmes de stockage pour les liquides étant de meilleure qualité, ils sont ainsi souvent plus onéreux que ceux pour les matériaux solides (Dincer & Rosen, 2002). Une remorque complète devrait être destinée au réservoir isolé qui pourrait être rempli d’eau afin de constituer une réserve d’énergie pour les spectacles itinérants du CDS avec un ΔT maximal d’environ 90°C.
Matériaux solides
Le stockage d’énergie thermique dans des matériaux solides, dits réfractaires, peut également être utilisé. Le but est toujours de stocker de l’énergie sous forme thermique, mais cette fois dans des solides, poreux et intégrés ou non à un système de stockage. Ce type de système est plus avantageux sur plusieurs points puisqu’il n’est pas toxique ni inflammable et qu’il fonctionne à une pression constante, contrairement à la plupart des matériaux de stockage liquide. Malgré des chaleurs spécifiques souvent basses pour ces solides qui affectent la quantité d’énergie pouvant être stockée, leurs densités plus élevées et leur capacité à fonctionner sur de plus larges plages de températures (de 100°C à 1000°C) sans provoquer de changements de phases peuvent les rendre intéressants à utiliser (Tomlinson & Kannberg, 1990).
De plus, même s’il est nécessaire d’utiliser une plus grande quantité de ces solides que d’eau, le matériau en lui-même demeure relativement peu coûteux et les éléments solides agissent à la fois comme surface d’échange thermique (grande surface avec peu de pertes) et comme moyen de stockage (Ataer, 2006). Les matériaux pour ce type de stockage sont nombreux : il est possible d’utiliser de la céramique, des briques et des alliages d’acier, de fer et de fonte. Les alliages d’acier se révèlent être un excellent compromis puisqu’ils présentent à la fois une grande capacité de chauffage et une conductivité thermique élevée, permettant des cycles de charge et de décharge rapides (Dincer & Rosen, 2002). Le principal problème réside dans la grande taille de ces systèmes, nécessaire pour pouvoir stocker les matériaux, ce qui rend leur transport relativement difficile et plus onéreux. Ce genre de stockage est difficilement adaptable à des applications pour le CDS.
Stockage par chaleur latente ou latent heat storage (LHS) Le stockage par chaleur latente est quant à lui un système de stockage basé sur la quantité de chaleur absorbée ou relâchée lorsqu’un matériau est soumis à un changement de température qui occasionne le plus souvent un seul changement de phase de solide à liquide, de liquide à gaz, ou inversement. Les matériaux de stockage utilisés dans ce cas-ci sont appelés matériaux à changement de phase (MCP). Pour répondre à une demande de chauffage, il est par exemple possible de faire fondre un MCP à l’aide d’une source de chaleur externe en période de basse consommation.
Le matériau stocke ainsi la chaleur reçue sous sa forme liquide et la chaleur qui a été emmagasinée au cours de ce processus est finalement absorbée par la charge lors du procédé inverse de solidification. Il est également possible de répondre à une demande de climatisation, toujours en utilisant le mécanisme de changement de phase, mais de manière inversée. Le MCP absorbe ainsi de la chaleur lors de sa liquéfaction, ce qui a pour effet de contribuer à refroidir l’environnement immédiat, diminuant ainsi la charge de climatisation. Il faut cependant noter que tout changement de phase se fait de manière isotherme, c’est-à-dire sans variation de température. À ce moment-là, seule de l’énergie correspondant au changement de phase est absorbée ou libérée. Les MCP sont un très bon moyen de stockage, puisqu’ils sont capables de stocker environ 5 à 14 fois plus de chaleur par unité de volume que les matériaux utilisés pour le stockage sensible (SHS) comme l’eau ou la pierre (Sharma, Tyagi, Chen & Buddhi, 2009). Pour un matériau initialement à une température inférieure à sa température de fusion/solidification et qui est finalement amené à une température finale supérieure à celle-ci, il y aura stockage à la fois sensible et latent. Les variables mises en jeu sont les mêmes que précédemment, avec en plus la chaleur latente de changement de phase Lph qui a lieu à la température Tph. L’équation donnant la quantité d’énergie stockée est alors (équations 1.3 et 1.4) :
S’il s’avère que deux changements de phase surviennent pendant l’opération, il est alors nécessaire de rajouter de nouveaux termes à la formule, avec une deuxième chaleur latente de changement de phase et un dégagement de chaleur dû à la troisième variation de température. Le principe est aussi applicable de manière inverse pour stocker ou déstocker de l’énergie et peut aussi concerner le changement de phase liquide/vapeur. Il est important de choisir un matériau ayant une bonne stabilité pour chacune de ses phases, possédant une chaleur latente de changement de phase la plus grande possible, ainsi que des chaleurs massiques de phases les plus élevées possibles, ce qui permet de diminuer la surface d’échange thermique, donc la quantité de matériau utilisée et ultimement le coût de la solution. La température de changement de phase demeure bien sûr un élément clé et doit être comprise dans des plages de températures raisonnables et utilisables pour le système.
Le dernier point important concerne la conductivité thermique du matériau, qui doit être grande afin de minimiser le gradient de température requis pour charger le matériau de stockage (Socaciu, 2012). Cependant, travailler avec des MCP nécessite également de prendre certaines précautions quant à leur utilisation et dans le type de système qui leur est associé. Il est par exemple primordial de travailler avec des petits volumes de stockage et faire attention à ce que le changement de phase n’occasionne pas de trop grandes variations de volume et de pression, ce qui rendrait le système trop complexe à utiliser, notamment pour le dimensionnement du réservoir. C’est d’ailleurs le cas pour les transformations aboutissant à des phases gazeuses, la quantité de chaleur de changement de phase est grande, mais occasionne des variations de volumes importants, ce qui rend les systèmes difficilement utilisables (Ataer, 2006). Il faut également veiller à utiliser des MCP non inflammables, non explosifs et surtout non corrosifs, pour éviter de rendre leur utilisation dangereuse à la fois pour les techniciens et pour la durée de vie du matériel de stockage tel que le conteneur (Socaciu, 2012).
De plus, le matériel de stockage de chaleur par LHS est plus onéreux que celui par SHS, de par son besoin de résister aux changements de phases fréquents, il est donc important de bien choisir le MCP utilisé dans ce type de stockage.
Il existe principalement trois types de matériaux à changements de phases : les MCP organiques, dont les paraffines, les acides gras, esters et alcools, et les MCP inorganiques, comme les sels hydratés et les métaux. La dernière catégorie est celle des MCP eutectiques, qui sont l’association de deux composants ou plus, organiques ou non organiques, et qui forment un mélange lors de la cristallisation (Sharma, Tyagi, Chen & Buddhi, 2009 ; Dutil, Rousse, Ben Salah, Lassue & Zalewski, 2011). Les MCP les plus typiques commercialisés actuellement sont les paraffines, comme le RT26 par exemple, qui possèdent une grande chaleur latente de fusion, d’environ 250 kJ/kg (Socaciu, 2012). Cependant, un des MCP les plus répandu également est une nouvelle fois l’eau, puisqu’elle est n’est pas chère, abondante, non toxique et qu’elle présente des bonnes caractéristiques pour ce fonctionnement, notamment sous la forme de banque de glace, qui absorbe la chaleur lors de sa fusion puis la restitue. En effet, convertir 1 kg d’eau en glace à 0°C permet de récupérer 152 kJ de chaleur, qui pourraient être utilisé pour le chauffage. De la même manière, si 1 kg de glace à 0°C absorbe en tout 152 kJ de chaleur pendant une certaine durée, elle se transforme en eau, ce qui permet par exemple de refroidir l’air qui pourrait ensuite être utilisé pour la climatisation. Les quantités d’énergie en jeu ici sont intéressantes. En effet, un réservoir de 10 m3 d’eau (soit 10 000 kg d’eau) permettrait d’absorber ou de libérer environ 422 kWh sur un cycle de plusieurs heures par le changement de phase d’eau en glace ou inversement. Cependant, il faut noter que la glace met plus de temps à se reformer qu’à fondre, il est donc nécessaire de prendre en compte cette durée supplémentaire. S’il s’avère que le système est suffisamment bien dimensionné pour pouvoir contenir de l’eau à vapeur saturante, lorsque l’eau se transforme en vapeur ou inversement, la chaleur latente de changement de phase est d’environ 2 MJ soit environ 0,55 kWh par kilogrammes d’eau (Dincer & Rosen, 2002).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Introduction à la revue de littérature
1.2 Lissage de la consommation par processus de stockage
1.3 Les différents types de stockage thermique
1.3.1 Stockage par chaleur sensible ou sensible heat storage (SHS)
1.3.1.1 Matériaux sous forme liquide
1.3.1.2 Matériaux solides
1.3.2 Stockage par chaleur latente ou latent heat storage (LHS)
1.3.3 Bond Energy Storage (BES) ou Stockage thermochimique
1.4 Stockage électrochimique
1.4.1 Batteries à flux (ou circulation)
1.4.2 Batteries conventionnelles
1.4.3 Supercondensateurs
1.5 Stockage chimique sous forme d’hydrogène
1.6 Stockage électromagnétique
1.7 Stockage mécanique
1.8 Stockage d’air comprimé
1.9 Conclusion sur les différents types de stockage
1.10 Revue concernant le rafraîchissement par évaporation
1.10.1 Principe du rafraîchissement par évaporation
1.10.2 Limites et restrictions
CHAPITRE 2 CRÉATION D’UNE BASE DE DONNÉES UTILISABLE
2.1 Objectifs
2.2 Données des consommations électriques jour/nuit
2.3 Relevés de températures – humidité relative
2.4 Températures de surface des toiles
2.5 Propriétés optico-radiatives de la toile
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 SÉLECTION DE LA TOILE DE TENTE
3.1 Différentes couleurs proposées et utilisées
3.2 Analyse des flux nets de chaleur par la réflectivité de la toile
3.3 Analyse des flux nets de chaleur par les températures d’équilibre des toiles
3.4 Influence de la couleur de la tente sur l’utilisation des systèmes CVCA
3.4.1 Première analyse de la consommation – journées ensoleillées
3.4.2 Deuxième analyse – Tournées entières
3.5 Impact de la réflectivité sur les rejets de CO2
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 RAFRAÎCHISSEMENT PAR ÉVAPORATION
4.1 Besoin d’énergie pour la climatisation
4.2 Méthode d’analyse
4.3 Obtention des données techniques et météorologiques
4.3.1 Données relatives aux équipements
4.3.2 Obtention des données météorologiques des sites de spectacle
4.4 Sélection des sites de spectacle
4.5 Bilan thermique sur l’enceinte de la tente
4.6 Résultats
4.7 Tests expérimentaux
4.8 Conclusion
CHAPITRE 5 AUTRES AXES DE SOLUTION
5.1 Génération de solutions
5.2 Solutions retenues
5.3 Efficacité énergétique
5.3.1 Production par panneaux photovoltaïques (panneaux PV)
5.3.2 Déstratification thermique de l’air chaud ou froid
5.3.3 Écrans solaires
5.4 Sobriété énergétique
5.4.1 Réduction des consommations nocturnes
5.4.2 Identification des systèmes en fonctionnement la nuit
5.4.3 Systèmes d’éclairage
5.4.4 Systèmes de climatisation et de chauffage
5.4.5 Séchage des costumes
5.5 Conclusion
CONCLUSION
6.1 Rappel des objectifs de la méthodologie
6.2 Principaux résultats
6.3 Recommandations
6.4 Remarques de clôture
ANNEXE I FICHE TECHNIQUE DU CAPTEUR OMEGA EL-USB-2
ANNEXE II RÉSULTATS DE L’ANALYSE DE BRUMISATION POUR LE SPECTACLE KURIOS
ANNEXE III NOUVELLE PROPOSITION DE PLAGES HORAIRES POUR LES LUMIERES
ANNEXE IV ÉCONOMIES POTENTIELLES RELATIVES A LA NOUVELLE PLAGE D’UTILISATION DE L’ÉCLAIRAGE
ANNEXE V ARTICLE PUBLIÉ DANS LE COLLOQUE CIFQ 2017
ANNEXE VI ARTICLE PRÉPARÉ POUR LA REVUE APPLIED THERMAL ENGINEERING
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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