Conception, instrumentation, modélisation et analyse d'un élement de stockage d'énergie par chaleur latente

Des éléments de stockage de chaleur utilisant l'électricité comme source d'énergie sont utilisés présentement en Europe où la tarification de l'électricité varie en fonction du temps. Dans un contexte où la dérèglementation du marché de l'électricité s'opère massivement en Amérique du Nord, ce type d'appareil est susceptible d'être beaucoup plus utilisé afin de faire une gestion efficace de la consommation électrique. En assurant un meilleur facteur d'utilisation des installations de production, transport et distribution, les utilités pourront être plus compétitives. Les appareils disponibles sur le marché stockent l'énergie sous forme sensible (ESECS), ce qui amène différents inconvénients: poids considérable, température élevée. Un nouveau type d'appareil est proposé dans cette étude: un élément de stockage d'énergie par chaleur latente (ESECL). Cette étude traite donc de la conception de tels appareils. La démarche de conception proposée dans cette étude s'articule autour du choix des matériaux, du choix du concept de l'échangeur de chaleur. À ce sujet, les matériaux à changement de phase (MCP) étant généralement de mauvais conducteur thermique sous forme solide, la surface d'échange doit être grande afin d'obtenir une puissance de déstockage convenable. Le concept retenu est un élément multicouches. D'après la revue de littérature, la conception d'un élément de stockage multicouches par chaleur latente n'a jamais été abordée. Afin de pouvoir calculer les performances d'un ESECL à construire, un modèle NTU-&#949 a été développé à cette fin. Contrairement à ce qui est reporté dans la littérature, le modèle développé tient compte de la surchauffe et de la chaleur sensible dans le MCP solide. Afin d'établir le modèle, la convection naturelle dans le MCP liquide est négligée et un régime quasi permanent est considéré dans le MCP. Un prototype d'ESECL a été construit et instrumenté dans le but d'éprouver la démarche de conception et de valider le modèle développé. Cette validation de la méthode NTU-&#949 n'avait d'ailleurs jamais été réalisée et constituait, selon la littérature, un obstacle majeur à l'utilisation de cette méthode dans un but de conception. L'élément a une capacité d'environ 5 kWh. La paraffine P116, avant un point de fusion d'environ 47°C est utilisée comme MCP. Des mesures de température de l'air et du MCP à l'intérieur de l'ESECL sont présentées afin de tracer un portrait global de l'ESECL lors du stockage et du déstockage. La mesure de la puissance thermique lors du déstockage est effectuée à l'aide d'un calorimètre construit selon la norme ANSI-ASHRAE 94.2.Des améliorations et des commentaires sont appliqués à cette norme. D'autres mesures auxiliaires sont aussi réalisées. Une évolution typique de la température peut être établie. Les prédictions du modèle sont en bon accord avec les mesures expérimentales. Ce modèle est utilisé afin de prédire le comportement d'un ESECS typique. Ces prédictions sont en bon accord avec les données expérimentales tirées d'une autre étude. Cette modélisation d'un ESECS permet de comparer un ESECS et un ESECL de même capacité et un ESECS et un ESECL de même encombrement. Ces comparaisons permettent de suggérer un élément de stockage hybride où le stockage s'effectue à plus haute température (130°C), le MCP demeure solide et la capacité est d'environ 18 kWh. Les performances de cet élément, tel que prédites [i.e. prédit] par le modèle sont présentées