Le projet MCPBat* consistait à développer une batterie thermique modulaire et compacte à base de Matériaux à Changement de Phase (MCP), pouvant charger, décharger et stocker l’énergie simultanément.
Dans le bâtiment, le stockage d’énergie permet de gérer la non simultanéité entre les usages et la production. Il permet ainsi de s’adapter à l’intermittence et à la variabilité de la ressource notamment dans le cas des énergies renouvelables (ENR) comme l’énergie solaire par exemple. Le stockage d’énergie permet ainsi de choisir le moment de production pour privilégier des tarifs électriques plus bas (heures creuses), des coûts environnementaux plus faibles ou encore de meilleurs rendements des systèmes de production.
Bien que le stockage d’énergie soit un maillon essentiel du bilan énergétique d’un bâtiment, il permet d’optimiser la production et l’usage des ENR, les technologies actuelles sont encore insuffisamment fiables et résilientes pour maximiser leur impact.
*Le projet MCPbat s’inscrit dans le cadre des équipes de recherches communes entre NOBATEK/INEF4 et les Universités de Bordeaux & de Pau et des pays de l’Adour.
Échangeurs thermiques à changement de phase : de la recherche à l’application
L’approche adoptée dans ce projet allie une étude approfondie du marché et des recherches scientifiques pour identifier les besoins (comme l’efficacité énergétique, le stockage de l’énergie, et les économies à long terme), et le recensement des systèmes existants. Ces informations sont ensuite utilisées pour modéliser, concevoir, réaliser, puis tester un prototype afin de valider le concept et évaluer ses performances.
L’évaluation des besoins pour le secteur du bâtiment a dégagé quatre applications pour l’échangeur thermique : l’eau chaude sanitaire (ECS), le chauffage, la climatisation et le stockage solaire thermique.
Ces quatre applications sont représentées sur la Figure 1 et sont regroupées dans une installation type « Batisol ». Cette installation combine une façade solaire avec une pompe à chaleur (PAC) eau/eau. La façade solaire produit de la chaleur pendant la journée et la stocke dans la batterie « stockage solaire ». Cette batterie sert ensuite de source pour la PAC, qui utilise cette énergie pour produire et stocker de l’Eau Chaude Sanitaire (batterie ECS), de la chaleur pour le chauffage en hiver (batterie chauffage), et du froid pour la climatisation en été (batterie climatisation).
Figure 1 : Représentation des batteries thermiques dans une installation BATISOL
À noter : l’utilisation des batteries n’est pas limitée à un couplage avec une PAC. La batterie ECS et chauffage par exemple peuvent être alimentées directement par des panneaux solaires thermiques ou des panneaux photovoltaïques (source électrique).
La sélection du Matériau à Changement de Phase (MCP) pour une batterie optimale
La sélection du MCP approprié joue un rôle important en termes d’efficacité thermique et de faisabilité économique et environnementale des batteries. Les laboratoires partenaires du projet, laboratoire I2M de l’université de Bordeaux et le LaTEP de l’Université de Pau et de Pays de l’Adour, ont suivi une méthodologie hiérarchisée selon le schéma de la Figure 2 pour identifier et sélectionner les MCP adaptés à chacune des quatre applications.
Les matériaux à changement de phase (MCP) :
- Absorbent ou libèrent de la chaleur en changeant d’état (solide, liquide, gaz)
- Stockent plus d’énergie thermique que l’eau ou les roches
- Régulent la température : absorbent et libèrent la chaleur de manière contrôlée
- Permettent des économies d’énergie dans les bâtiments et l’industrie
- Sont fabriqués à partir de matériaux renouvelables et biodégradables
Avantages : Stockage d’énergie élevé, régulation de la température, économies d’énergie, durabilité.
Applications : Construction, industrie, produits de consommation.
Quelques exemples : acides gras, sels hydratés, paraffines, matières inorganiques etc.
Les équipes de NOBATEK/INEF4 travaillent depuis près de 15 ans sur les matériaux à changement de phase et leur intégration dans les bâtiments (Solar decathlon 2010- NAPEVOMO, MCPFlex : système de rafraichissement à base de MCP , expérimentation à taille réelle dans les logements de la ZAC Arrousets à Bayonne )
Concevoir une batterie qui répond aux besoins dans le bâtiment
Le choix du concept de la batterie a été orienté par une analyse fonctionnelle réalisée par l’équipe de NOBATEK/INEF4. Cette analyse a permis de définir les besoins (l’eau chaude sanitaire (ECS), le chauffage, la climatisation et le stockage solaire thermique) auquel doit répondre la batterie, permettant ainsi d’établir les fonctions qu’elle doit assurer (Figure 3). Pour chaque fonction, des solutions techniques ont été proposées pour orienter la conception selon trois phases, qui suivent un processus itératif (Figure 4) :
- Modéliser/Prototyper : ici l’équipe projet réalise des modélisations ou des prototypes échelles réduites des solutions proposées.
- Simuler/Mesurer : Les solutions modélisées sont simulées et testées selon un protocole défini par l’équipe projet afin d’évaluer leur performance et leur pertinence.
- Apprendre : les résultats des simulations et d’expérimentations sont analysés pour confirmer ou mettre à jour de nouvelles idées.
Figure 3 : Analyse fonctionnelle du besoin pour la définition de la solution de batterie thermique.
Figure 4 : Processus de conception suivi par NOBATEK/INEF4.
Figure 5 : Banc d’essai pour la caractérisation des systèmes énergétiques à vecteur eau.
Figure 6 : test du prototype final de la batterie thermique à base de Matériau à Changement de Phase.
Premier prototype réalisé par l’équipe de NOBATEK/INEF4
À l’issue de la phase conception, le premier prototype de la batterie a été réalisé dans les ateliers de NOBATEK/INEF4 à Talence, puis testé sur un banc d’essai « caractérisation des systèmes énergétiques à vecteur eau » (Figure 5). Ce banc permet de simuler les conditions (fixes ou variables) auxquelles pourrait être soumis un système énergétique :
- Température d’entrée allant de -10°C à 75°C.
- Débit de 60 l/h à 2000 l/h.
- Puissance fournie jusqu’à 15 kW.
Campagne d’essai de la batterie
Les résultats de la campagne d’essais sur la batterie ont permis de :
- Valider le concept : l’objectif du projet étant la preuve du concept
- Calibrer les modèles numériques : ces modèles constituent des outils d’aide à la décision (dimensionnement de la batterie par exemple).
- Prédire les performances annuelles : évaluer par simulation la performance de la batterie intégrée dans un système type « Batisol ».
Les résultats de la simulation et de l’expérimentation de la batterie seront publiés sous forme d’articles scientifiques dans des revues à comité de lecture et indexées. De plus, les résultats du projet seront présentés à des professionnels de l’industrie des systèmes de chauffage, climatisation et ventilation pour évaluer leur intérêt.
Perspectives futures
Les retours d’expériences quant à eux seront d’une part valorisés dans le cadre d’un nouveau projet mené avec le LaTEP, le pôle Cristal, l’ICAM et Danfoss, centré cette fois sur le modèle numérique, la méthode de dimensionnement et de fabrication des batteries MCP.
D’autre part, une thèse en collaboration entre les laboratoires I2M et LaTEP, financée par l’université de Bordeaux, va se consacrer à l’étude du comportement du MCP à l’aide d’une méthodologie basée sur la modélisation, la caractérisation et le volet expérimental : système de stockage actif de l’énergie thermique à Base biologique – Analyse numérique et expérimentale du Transfert de chaleur des MAtériaux à chaNgement de phase (BATMAN).