Valoriser la chaleur fatale des sites industriels

Un extrait de « Chaleur fatale industrielle : valorisation par le stockage thermocline » par Doan PHAM MINH, Yasmine LALAU, Thibaut ESENCE

Historiquement, le stockage massif de chaleur à haute température a principalement été développé pour les centrales solaires thermodynamiques. Le stockage permet d’absorber les variations de l’ensoleillement et de piloter la conversion de chaleur en électricité. La technologie qui s’est imposée dans les centrales actuellement en activité est le stockage thermique à deux cuves. Un fluide caloporteur circule entre deux cuves, l’une dite « cuve chaude » et l’autre « cuve froide ». En phase de charge, le fluide circule de la cuve froide vers la cuve chaude, en récupérant de la chaleur de la source située entre les deux cuves. En phase de décharge, le fluide circule en sens inverse et restitue la chaleur au point de consommation. La récupération et la restitution de chaleur peuvent être effectuées de manière directe, en contact avec la source, ou indirecte, via un échangeur. Le stockage thermique de type thermocline peut être vu comme une évolution du stockage à deux cuves. Il consiste à faire cohabiter les fluides chaud et froid dans une seule cuve. La séparation se matérialise alors par une « zone de thermocline ».

Le stockage thermocline, qu’est-ce que c’est ?

Ce type de système est constitué d’une enveloppe isolante, remplie d’un matériau de stockage thermique. Lors de la phase de charge, les fumées chaudes générées par un site industriel passent par cette enveloppe et cèdent la chaleur au matériau de stockage. Une zone de gradient de température (zone de thermocline) est formée au sein de ce matériau, qui délimite les zones chaude et froide. Cette thermocline se déplace au fur et à mesure vers la sortie de l’enveloppe de stockage. Lors de la phase de décharge, un fluide à la température ambiante (par exemple de l’air) circule dans le système et récupère la chaleur stockée, générant un fluide chaud en sortie. Ce fluide chaud est utilisé et ainsi la chaleur fatale est valorisée.

Le stockage thermocline peut se présenter sous deux formes.

• Sans garnissage : le réservoir est intégralement occupé par le fluide caloporteur, qui fait également office de matériau de stockage thermique. Le fluide est donc un liquide sélectionné pour sa capacité thermique volumique élevée. En pratique, le liquide de stockage doit posséder une faible conductivité thermique pour limiter les échanges de chaleur entre les zones chaude et froide.
• Avec garnissage : le réservoir est occupé par un lit fixe de matériau de stockage. Une partie du fluide caloporteur est donc remplacée par un solide, dont les performances en termes de densité énergétique et/ou de coût sont plus avantageuses. Ces systèmes de stockage sont étudiés depuis les années 1980 pour leur utilisation au sein de centrales solaires et plus récemment pour des applications de valorisation de chaleur fatale.