Cours N1 Stockage - energie-environnement

Stockage d'énergie pour la production de froid – Notes de cours N°1
Avant propos
Le cours présenté ci-dessous regroupe un ensemble de notes que j'ai prises pour
sa préparation basées sur un certain nombre de sources citées en annexe qui retracent ce
qui vous a été présenté et précise certains points, les sources sont anoncées par [#]. Il
vous dresse un premier panorama des différentes problématiques posées par le stockage
d'énergie pour la production de froid.
I. Introduction
L'électricité est l'un des principaux vecteurs d'utilisation de l'énergie. La principale
source de production d'électricité reste à l'heure actuelle les combustibles fossiles (voir
tableau 1) avec près de 70%.
tableau 1. Consommation d'électricité dans le monde [1]
A titre d'information, il est présenté sur la figure 1 les différentes pertes sur la totalité
de la production/distribution d'électricité à partir d'énergie fossile : près de 70% de pertes à la
combustion, approximativement 4% sur le réseau et 28% à l'utilisation.
F. Trinquet 1
Source : Le stockage de froid appliqué à la climatisation et aux centrales frigorifiques – Jean PATRY -

figure 1. Production d'électricité et bilan énergétique - [1]
Sur l'ensemble de cette production d'énergie électrique 15% est consacrée à la
production de froid [#]: ce qui représente un secteur non négligeable à travers lequel un
certain nombre d'efforts sont attendus en terme de maîtrise d'énergie.
L'électricité présente un grand nombre d'avantages, qui la rendre de fait une source
d'énergie confortable d'utilisation :
- elle peut-être produite à partir de multiples sources primaires fossiles et non-
fossiles.
- elle peut être transportable en grande quantité et sur de grandes distances.
- elle est convertible dans les principales formes d'énergie mécanique, chimique
et thermique.
Néanmoins elle présente un inconvénient majeur : elle ne peut pas être stockée à
moins de la retransformer en énergie mécanique, chimique ou thermique.
Pour produire du froid au moment désiré l'être humain à commencer par le stocker.
Ceci n'était pas possible dans n'importe quelle zone géographique : dans les pays tempérés le
stockage était possible puisque des saisons très froides laissaient la place à des saisons plus
chaudes.
Le matériau majoritairement utilisé pour le stockage d'énergie thermique associé à la
production de froid a été la glace, et cei pour 4 raisons essentielle :
–Son abondance et sa gratuité
–Sa non toxicité
–Sa température relativement satisfaisante pour conserver des aliments
–Sa forte enthalpie de changement d'état
F. Trinquet 2
Source : Le stockage de f roid appliqué à la climatisation et aux centrales frigorif iques – Jean PATRY - 2007

La conservation de la glace s'effectuait dans des endroits adéquats : la multitude de
« puits à glace » en Europe temoignent de l'essor de ces techniques et surtout de leur utilité. A
ce titre, certains de ces « puits » avaient des dimensions importantes à l'image des puits de
Brignoles (France) qui, avec leurs 6000 m3, permettaient d'alimenter les marchés de Marseille,
de Toulon et d'Aubagne avec des produits conservés au froid. La figure 2 nous donne un
aperçu des dimensions importantes de ce type de puits.
L'utilisation de ces « puits » a périclité à la fin du XIXè siècle, avec l'apparition et la
montée en puissance des machines frigorifiques :
–En 1851 : Première machine à fabriquer la glace – John Gorrie (USA)
–En 1860 : Premier réfrigérant mécanique – Fernand Carré (France)
Le XXè siècle a vu le développement incessant des machines frigorifiques et notament
de leur dimensionnement, comme l'illustre la figure 3.
F. Trinquet 3
figure 2: La glacière de Pivaut - Var
Ø = 20m et H = 25m
figure 3: Accroissement du ratio puissance
thermique/masse de cuivre des évaporateurs à tubes et
calandre dans les applications du génie frigorifique et
climatique- [4]

La production de froid interagit avec un certain nombre de domaines d'application et
principalement ceux cités ci-après :
–l'agroalimentaire : conservation des aliments;
–Conservation des produits pharmaceutiques;
–la climatisation.
Le domaine du froid auquel nous allons nous intéressé couvre une gamme de
température allant de -40°C à +20°C.
Différents protocoles (Kyoto, Montréal) cherchent à limiter l'émission de gaz à effet
de serre (GES), en conséquence de quoi, un certain nombre de recherches s'orientent vers des
solutions inovantes en terme de maîtrise de l'énergie. Nous allons voir pourquoi les recherches
sur le stockage d'énergie pour la production de froid contribuent à leur échelle à apporter des
réponses à cette problématique.
II. Stockages d'énergie
1. Généralités
Les différentes formes de stockage d'énergie sont les suivantes :
–Chimique (Piles)
–Mécanique (Pompage de l'eau)
–Thermique
Le principe du stockage d'énergie peut s'énoncer comme suit : « Accumuler de
l'énergie lorsqu'elle est abondante et la restituer lorsqu'elle devient rare ».
Avant de passer au stockage d'énergie thermique citons un exemple de développement
potentiel du stockage d'énergie mécanique. Mises à part quelques « niches » asiatiques
spécifiques, le potentiel hydroélectrique planétaire est quasi épuisé. Le projet Searev, porté
par le programme Énergie du CNRS, cherche à utiliser la force engendrée par la houle sur un
F. Trinquet 4
figure 4: Searev - Laboratoire de
Mécanique des Fluides de l'École Centrale
de Nantes

pendule (400 tonnes) incorporé dans une bouée, voir figure 4. Le Searev, dans des conditions
d'utilisation favorables (houle convenable), est capable de délivrer une puissance comprise
entre 500 kW et 700 kW ce qui permettrait de répondre aux besoin en électricité de 200 foyers
par an.
2. Stockage d'énergie thermique
L’utilisation différée de l’énergie est l’idée commune qui vient à l’esprit dès que l’on
parle de stockage. Dans la pratique, on peut alors réaliser cette opération par chaleur sensible
ou par chaleur latente. A ce titre, on rappellera ici les principales différences entre ces deux
modes de stockage :
–le stockage en chaleur sensible consiste à accumuler de l’énergie thermique dans
un corps par accroissement de sa température sans changement d’état. La quantité
d’énergie stockée est alors directement proportionnelle à la variation de
température et à la quantité de matière concernée. Le coefficient de
proportionnalité est la capacité calorifique Cp en J/(kg K).
–le stockage par chaleur latente consiste à exploiter la quantité d’énergie engagée
lors du changement d’état d’un corps. La règle des phases implique qu’à pression
atmosphérique et pour un corps pur, ce changement d’état se produit à température
constante.
Les principales différences entre les deux modes de stockage tiennent au caractère
isotherme et aux très fortes capacités de stockage du latent devant le sensible.
2.1. Chaleur sensible
A pression constante, si l'on réchauffe un corps (généralement liquide ou solide) de
masse
m
et de capacité thermique massique
cpT
de la température initiale
T1
à la
température
T2
on peut stocker une énergie donnée par sa variation d'enthalpie :
H2−H1 =∫
T1
T2
mc pTdT
En supposant
cpT=cste
on obtient la relation suivante :
H2−H1 =mc p. T2−T1
2.2. Chaleur latente
Supposons que ce corps soit à
T1
un solide pur, de masse
m
ayant une
température de fusion
TF
telle que
T1TFT2
. L'énergie stockée serait donnée, à
pression constante, par la variation d'enthalpie suivante :
H2−H1 =∫
T1
TF
mcp
sTdT mL∫
TF
T2
mcp
lTdT
F. Trinquet 5