Système de stockage de chaleur fatale : définition et principes

Rappel sur la définition de chaleur fatale

La chaleur fatale couramment appelée "chaleur perdue" ou encore "chaleur de récupération" désigne la quantité de chaleur inéluctablement rejetée lors d'un procédé de production ou de transformation.

Elle peut se présenter sous trois formes :

• Les rejets gazeux (faciles à capter) : Il peut s'agir de l'air de conditionnement, de l'air chaud, des buées, de la vapeur de procédé ou de flash ;

• Les rejets liquides (faciles à capter) : On parle ici des eaux usées résidentiel-tertiaire, les eaux de refroidissement, les purges ;

• Les rejets diffus (plus difficiles à capter) : Il s'agit des défauts d'isolation des canalisations, des parois et ouvertures non fermées.

Le niveau de température de la chaleur fatale est, de surcroît, une caractéristique déterminante de sa stratégie de valorisation. Dans la pratique, les niveaux de température peuvent aller de 30°C (eaux usées) à 500°C (gaz de combustion...).

Chaleur fatale: comment stocker cette énergie ?

Selon la temporalité des sources et des besoins de chaleur, la chaleur fatale récupérée peut être stockée pour une utilisation ultérieure sur site.

Le stockage peut être thermique (par chaleur sensible ou chaleur latente) ou thermochimique (énergie par sorption).

Stockage thermique par chaleur sensible 

Cette méthode consiste à chauffer un milieu liquide ou un solide sans changement de phase. Ce milieu est choisi en fonction du niveau de température requis par l'application. Le stockage et la restitution de la chaleur ne se fait pas à température constante.

Pour des températures inférieures à 100 °C, l’eau liquide est le composé le plus largement utilisé. Elle est non toxique, peu chère et les échangeurs peuvent être évités si l'eau est utilisée comme fluide caloporteur. Sa régulation est b. À ces niveaux de température, des systèmes utilisant des roches ou des bétons existent également.

Pour des températures supérieures à 100 °C, le stockage de chaleur se réalise dans d'autres milieux liquides comme les sels fondus ou les huiles organiques. Ces composés permettent d'atteindre des températures élevées (jusqu'à environ 350 °C pour les huiles et 800 °C pour les sels fondus). Ils nécessitent cependant l'utilisation d'un fluide intermédiaire et le coût des matériaux et échangeurs peut être élevé.

Certaines contraintes réglementaires peuvent également être liées à l'utilisation de ces fluides. Le stockage à haute température peut aussi être réalisés sur des solides comme des bétons à hautes températures ou de la céramique réfractaire (jusqu'à 1000 °C). Les volumes nécessaires sont alors plus importants que pour des milieux liquides.

Stockage thermique par chaleur latente

Le stockage par chaleur latente utilise la capacité d'un Matériau à Changement de Phase (MCP) à passer de l'état solide à l'état liquide sous l'effet de la chaleur, absorbant ainsi l'énergie de changement de phase lors de la fusion et la restituant lors de la solidification.

Cette méthode nécessite un fluide caloporteur pour transférer la chaleur entre la source et l'unité de stockage, car le MCP ne peut pas être utilisé directement comme fluide de transfert.

Les technologies de transfert incluent des échangeurs tubes ailettés, des échangeurs multi-tubes, et l'encapsulation du MCP. Lorsqu'un fluide chaud entre en contact avec le MCP, celui-ci fond et absorbe la chaleur, tandis qu'un fluide froid provoque la solidification du MCP, restituant la chaleur au fluide.

Stockage thermochimique par énergie par sorption 

Le stockage thermochimique utilise la réversibilité d'une réaction (adsorption-désorption ou chimique) pour stocker et restituer de la chaleur de manière endothermique ou exothermique.

Stockage par Adsorption/Désorption 

Ce système implique un couple solide/gaz avec des matériaux adsorbants poreux comme les gels de silice, les alumino-phosphates, les silico-phosphates et les zéolithes.

L'adsorption (fixation des molécules de gaz au solide) est exothermique et libère de la chaleur, tandis que la désorption (libération des molécules de gaz) est endothermique et consomme de la chaleur.

Stockage par voie chimique 

Ce système utilise une réaction chimique réversible entre un solide et un gaz, souvent impliquant des sels et de l'eau. Les matériaux réactifs peuvent être associés à une matrice pour améliorer le transfert thermique et la stabilité. La réaction de décomposition (AB + Q ↔ A + B) est endothermique et stocke de l'énergie, tandis que la recombinaison des produits est exothermique et restitue la chaleur.

Cette solution est souvent utilisée dans l'industrie de 160 à 250°C.