Les options disponibles pour le stockage de chaleur dans les ménages

Pendant les mois d'été, nous ne pouvons pas utiliser toute l'énergie solaire disponible, qui est alors perdue. Et en hiver, nous devons acheter de l'énergie coûteuse. Et si nous pouvions stocker la chaleur en été pour l'utiliser en hiver?

Stockage électrique = stockage à court terme

Lorsqu'on parle de stockage d'énergie, tout le monde pense probablement à une batterie domestique où l'excédent d'énergie électrique peut être stocké temporairement. Et par 'temporairement', nous entendons une période de 2 à 3 jours, pas plus. La durée de vie d'une batterie électrique est plus courte que celle des panneaux photovoltaïques. Il faudra donc remplacer la batterie avant les panneaux. 

Le stockage de l'énergie électrique est donc synonyme de stockage à court terme et de coûts de remplacement de la batterie. Il est vrai qu'au lieu de stocker l'énergie électrique dans des batteries, on peut aussi la convertir en chaleur via des résistances électriques, mais cette conversion d'énergie s'accompagne malheureusement d'une perte d'efficacité.

stockage de la chaleur = stockage à long terme

Pour la chaleur, il est question de de stockage saisonnier: l'excédent de chaleur en été est stocké pour être utilisé en automne ou en hiver.

Quelle que soit la méthode de stockage choisie, le fait est que le stockage d'énergie deviendra indispensable à l'avenir pour combler l'écart important entre l'offre et la demande et pour pouvoir affronter les semaines d'hiver les plus froides avec le confort nécessaire. Comme la chaleur représente les trois quarts de la demande d'énergie dans l'environnement bâti, il est logique de toujours stocker la chaleur en tant qu'énergie.

Le stockage de la chaleur dans les maisons n'est pas courant. Pourquoi le ferions-nous? Jusqu'à présent, nous pouvions compter sur un très bon approvisionnement en énergie, notamment sur un réseau de gaz naturel qui fonctionnait bien. II n'était donc pas nécessaire de trouver un autre système d'approvisionnement. Cependant, l'augmentation des prix de l'énergie et le renforcement de la législation pour atteindre les objectifs climatiques de 2030 et 2050 - le but étant, à termes, d'atteindre une consommation d'énergie maximale inférieure à 100 kWh/m² - nous obligent à chercher de toute urgence d'autres sources d'énergie. Et c'est là que le stockage thermique peut nous aider. Dans cet article, l'accent est mis sur le stockage de la chaleur à petite échelle pour les maisons et beaucoup moins sur le stockage à grande échelle pour l'industrie ou les centres-villes.

Pour la chaleur, il est question de stockage saisonnier: l'excédent de chaleur en été est stocké pour être utilisé en automne ou en hiver

Techniques de stockage de la chaleur à petite échelle

Il existe différentes techniques pour stocker la chaleur à petite échelle dans les maisons:

• Stockage de la chaleur dans l'eau
• Stockage de la chaleur dans des matériaux thermochimiques (MTC)
• Stockage de la chaleur dans des matériaux à changement de phase (PCM)
• Stockage de la chaleur par les principes redox

En ce qui concerne le stockage de la chaleur dans l'eau, de nombreux projets ont déjà été réalisés. Les trois autres techniques n'en sont encore qu'aux premiers stades de développement, c'est pourquoi nous n'en parlerons pas dans cet article. Cependant, des recherches sont en cours pour pouvoir un jour les appliquer comme techniques de stockage de chaleur à grande échelle, par exemple au niveau des quartiers.

Stockage de la chaleur dans de grands réservoirs

Il est possible de stocker l'excédent de chaleur des capteurs solaires dans un grand réservoir d'eau. Un capteur solaire convertit l'énergie solaire en eau chaude (tandis que les panneaux photovoltaïques convertissent cette énergie solaire en électricité). La chaleur stockée dans le réservoir est utilisée pour chauffer l'eau du chauffage central. Grâce à un échangeur de chaleur, l'eau de retour du chauffage central va grimper en température.

L'eau est très bon marché et possède une capacité thermique spécifique élevée de 4,2 kJ/(kg.K) - cela signifie que si 1 kg d'eau refroidit de 1°C, cela libère 4,2 kJ de chaleur. En outre, le rendement des capteurs solaires est bien meilleur que celui des panneaux photovoltaïques. Les capteurs solaires ont un rendement de 80% et plus, alors que les panneaux photovoltaïques stagnent autour de 30%. Cela signifie que l'on obtient une bien meilleure conversion énergétique de la chaleur solaire en eau chaude que de l'énergie solaire en électricité. L'inconvénient des réservoirs d'eau chaude est qu'ils perdent rapidement leur chaleur. Ces pertes dépendent de la taille du réservoir, mais les petits volumes ne conviennent pas vraiment au stockage de la chaleur à long terme, c'est-à-dire pendant 3 mois et plus.

Q = m * c * ΔT donc m = Q/(c*ΔT)
Q est la quantité de chaleur que nous voulons stocker - c est la capacité thermique spécifique et enfin il y a la différence de température entre l'eau froide et la température de stockage.

En supposant une consommation annuelle de gaz d'une famille moyenne de 1400 m³ de gaz/an et un pouvoir calorifique de 10 kWh/m³ (qui est une valeur arrondie), la quantité d'énergie par an nécessaire pour chauffer cette maison correspond à une valeur énergétique de 14.000 kWh/an. En convertissant ces 14.000 kWh en MJ (Megajoules), il faut multiplier par 3,6 pour arriver à une consommation d'énergie de 50.400 MJ. Pour stocker cette énergie dans un réservoir d'eau chaude à 60°C, et si on néglige toutes les pertes inévitables, il faut un réservoir d'environ 240 m³, ce qui est très grand. Une température de stockage de 60°C signifie une augmentation de la température de 50°C si nous supposons une température de départ de 10°C. Si la température de stockage est de 70°C, le volume se réduit à 200 m³.

Cette forme de stockage de la chaleur est intéressante pour l'industrie et pour le stockage de la chaleur au niveau d'un quartier. Au niveau d'un quartier, il est possible de placer de grands réservoirs tampons dans le sol et de les isoler parfaitement pour le stockage saisonnier, de sorte que seuls 10% de la chaleur stockée sont perdus. En été, l'eau de ce réservoir tampon est chauffée à 90°C par plusieurs échangeurs de chaleur. Entre 500 et 3.000 foyers peuvent être raccordés à ce genre de réservoir tampon, en fonction de la taille de ce dernier.

Stockage de la chaleur dans le sol

Une deuxième option pour le stockage de la chaleur dans les habitations est la combinaison avec une pompe à chaleur géothermique. Si une pompe à chaleur doit surmonter de grandes différences de température entre la source et la sortie, ses performances sont loin d'être idéales. En été, la chaleur de la maison est transférée au sol grâce au système de chauffage par le sol. Cela entraîne une augmentation de la température du sol, ce qui signifie que la pompe à chaleur géothermique sera beaucoup plus performante pendant les mois d'hiver, car la température de sa source est beaucoup plus élevée. Le fait de pouvoir maintenir la température intérieure dans des limites de confort acceptables pendant les mois d'été est un avantage supplémentaire. Une condition est que la perte de chaleur des maisons ne soit pas trop élevée. Cette forme de stockage de la chaleur est certainement applicable lors de rénovations après que la maison ait été suffisamment isolée pour réduire la demande de chaleur.

Un panneau PVT est un panneau qui produit à la fois de l'électricité et de la chaleur. Il s'agit donc de la combinaison d'un capteur solaire et d'un panneau photovoltaïque

Générer de la chaleur en fabriquant de la glace

Une autre solution consiste à stocker une poche en plastique (poche tampon) dans le vide sanitaire, par exemple. Un mélange eau-glycol circule dans un système de tuyaux sous un capteur solaire (panneau PV) et absorbe la chaleur. Une pompe de circulation transporte cette chaleur vers l'eau dans la poche tampon située dans le vide sanitaire. Cette eau est chauffée jusqu'à un maximum d'environ 20 °C. Pendant la saison de chauffage, une pompe à chaleur extrait la chaleur de la poche tampon et l'utilise pour chauffer l'eau du chauffage central à environ 35°C, ce qui convient pour un chauffage à basse température. Même si la température dans la poche tampon est tombée à 0°C, la chaleur de solidification de l'eau peut être utilisée pour continuer à fournir de l'énergie à la pompe à chaleur. La chaleur de solidification de l'eau est de 334 kJ/kg, ce qui correspond à la quantité de chaleur obtenue lorsque 1 kg d'eau refroidit à 80°C.

Conclusion: transformer de l'eau à 0°C en glace à 0°C produit autant d'énergie que refroidir de l'eau à 80°C à 0 °C. L'avantage de ce système est que le réservoir tampon a une taille de 10 m³, ce qui le rend beaucoup plus facile à installer, par exemple dans le vide sanitaire ou le sous-sol de la maison. En raison du faible volume du réservoir tampon, ce système n'est pas idéal pour un stockage à long terme. D'où la température de stockage relativement basse de 20°C. Dès que le soleil brille, la chaleur est transférée directement dans ce réservoir tampon. Même en hiver, lorsque la température du réservoir a chuté jusqu'au point de congélation, le moindre rayon de soleil apportera la chaleur des panneaux photovoltaïques directement dans le réservoir. Un panneau PVT (PhotoVoltaïque - Thermique) est un panneau qui produit à la fois de l'électricité et de la chaleur. Il s'agit donc de la combinaison d'un capteur solaire et d'un panneau photovoltaïque. La combinaison des deux techniques en un seul panneau permet de gagner en utilisation de la toiture. La surface du toit peut être doublement utilisée. Avec un panneau photovoltaïque, l'échangeur de chaleur est situé à l'arrière du panneau. En utilisant le réservoir tampon, l'efficacité du système augmentera considérablement en hiver.

Un autre avantage de ce système est qu'une pompe à chaleur eau/eau ne nécessite pas de ventilateur. Les ventilateurs sont souvent la principale source de bruit dans une pompe à chaleur air/eau, et ils ne sont pas nécessaires ici. Une pompe à chaleur eau/eau sera légèrement plus chère qu'une pompe à chaleur air/eau, mais beaucoup moins chère qu'une pompe à chaleur B/W, car aucun forage n'est nécessaire.

Aujourd'hui, à la place des poches tampon, on utilise également des puits souterrains comme tampon thermique. Le grand avantage est la capacité de régénération du sol, qui remplit le puits souterrain d'énergie afin que la pompe à chaleur fonctionne à une température source plus élevée. Ces puits peuvent être combinés ou non avec des citernes d'eau de pluie, des réservoirs d'arrosage, des toits bleus et des eaux grises (chaleur résiduelle des eaux de douche et de bain) pour gérer encore plus efficacement la température de la source.