À l'ère du développement rapide des énergies renouvelables, la gestion de l'intermittence de l'alimentation électrique est devenue un défi majeur. Au cœur de la technologie de stockage de l'énergie thermique (TES), les matériaux à changement de phase (PCM) constituent une percée importante dans la résolution de ce problème critique en raison de leurs capacités efficaces de stockage et de libération de l'énergie. Ces matériaux ne répondent pas seulement aux besoins du chauffage urbain, mais conviennent également à diverses applications industrielles.
Dans cet article, nous nous concentrerons sur l'analyse des matériaux à changement de phase pour le stockage de l'énergie thermique et nous examinerons comment ils peuvent contribuer à l'amélioration de l'efficacité énergétique et à l'application à grande échelle des énergies renouvelables.
Table des matières
Qu'est-ce qu'un matériau à changement de phase (MCP) ?
Matériaux à changement de phase (PCM) sont une catégorie de matériaux capables d'absorber ou de libérer de grandes quantités de chaleur au cours d'un processus de changement de phase (par exemple, d'un solide à un liquide). Ces matériaux se caractérisent par une capacité de chaleur latente élevée, ce qui leur permet de stocker efficacement l'énergie dans un espace relativement restreint. En outre, en raison de leur excellente capacité de stockage de l'énergie, les MCP sont actuellement utilisés dans un large éventail d'applications telles que le chauffage urbain, la gestion de l'énergie thermique dans les environnements industriels et le stockage des énergies renouvelables.
Types de matériaux à changement de phase
Les matériaux à changement de phase (MCP) peuvent être classés dans les catégories suivantes en fonction de leur composition et de leurs propriétés. Chaque type de MCP joue un rôle unique dans les différents scénarios de stockage de l'énergie thermique en raison de ses propriétés physiques spécifiques et de sa plage de températures.
- Systèmes inorganiques : Il s'agit notamment de sels, d'hydrates de sel et d'alliages métalliques. Ces matériaux ont une densité de stockage d'énergie élevée et une bonne conductivité thermique et sont couramment utilisés pour le stockage d'énergie thermique à haute température.
- Composés organiques : les plus courants sont la cire de paraffine et les acides gras. Ces matériaux présentent une bonne stabilité chimique et ne sont pas corrosifs. Ils conviennent bien aux applications de stockage de l'énergie thermique à basse et moyenne température.
- Polymères : Un exemple représentatif est le polyéthylène glycol (PEG). Ce matériau est à la fois flexible et ajustable, ce qui le rend idéal pour les besoins spécifiques en matière de stockage d'énergie.
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Comment les matériaux à changement de phase fonctionnent-ils dans le stockage de l'énergie thermique ?
Les matériaux à changement de phase stockent et utilisent l'énergie thermique en absorbant et en libérant la chaleur latente. Il est donc essentiel de comprendre comment cela fonctionne pour choisir le bon matériau à changement de phase. Dans les systèmes de stockage d'énergie thermique (TES), le principe de fonctionnement se reflète principalement dans les deux aspects suivants :
Méthode de transfert de chaleur
- Contact direct : le MCP est en contact direct avec le fluide caloporteur pour réaliser l'échange de chaleur, et l'efficacité de la conductivité thermique de ce matériau est élevée. Toutefois, il convient de noter qu'il est nécessaire d'éviter le mélange et la contamination des matériaux.
- Macroencapsulation : Le MCP est encapsulé dans un conteneur plus grand fait d'un matériau neutre. Cette approche facilite le stockage et la manipulation tout en évitant les fuites et les réactions chimiques.
- Microencapsulation : Encapsulation du PCM à travers Les minuscules coques de ce produit permettent une distribution plus homogène. En outre, il peut être mélangé directement avec le matériau de la matrice, ce qui le rend idéal pour le stockage de l'énergie thermique dans les équipements de précision.
Stabilité thermique et exigences en matière d'encapsulation
- Le processus de fusion et de solidification de PCM affecte directement l'efficacité du stockage et de la libération de l'énergie thermique. Il détermine également sa température de fonctionnement. Il est donc essentiel de bien comprendre ce processus. Vous devez sélectionner un matériau à changement de phase dont la température de changement de phase correspond à l'environnement de fonctionnement prévu en fonction de vos besoins spécifiques en matière de stockage d'énergie thermique.
- En outre, il doit être encapsulé. En effet, une encapsulation efficace empêche les fuites ou la contamination du circuit imprimé pendant son utilisation. Cela peut améliorer la durée de vie et la fiabilité du système dans une certaine mesure.
Avantages et inconvénients des matériaux à changement de phase
Avantages
- Densité de stockage de l'énergie plus élevée : Le MCP peut stocker plus d'énergie sous forme de chaleur latente que les méthodes traditionnelles de stockage hydrothermique. Par rapport à l'eau, il peut stocker plus de chaleur par unité de volume de masse et a une efficacité de stockage thermique plus élevée.
- Différence de température plus faible entre le stockage et la mise en circulation : La température reste relativement constante pendant le processus de changement de phase, ce qui améliore la stabilité et l'efficacité du stockage et de la libération de l'énergie thermique.
- Plage de température de fonctionnement polyvalente : Différents types de MCP sont disponibles pour couvrir un large éventail de besoins, des basses températures (-20°C) aux hautes températures (plus de 100°C).
- Cyclabilité : Le matériau peut supporter des milliers de cycles de fusion et de solidification, ce qui le rend particulièrement adapté aux systèmes de stockage d'énergie qui sont utilisés de manière répétée sur une longue période.
Inconvénients
- Investissement initial élevé : Les matériaux PCM sont relativement coûteux à développer, à fabriquer et à intégrer dans les systèmes, ce qui peut limiter leur déploiement à grande échelle.
- Une faible conductivité thermique affecte le taux de transfert de chaleur : Les MCP ont généralement une faible conductivité thermique, ce qui se traduit par des taux plus lents de stockage et de libération de l'énergie thermique.
- Plage de température de fonctionnement limitée : La plage de température de fonctionnement effective des MCP est limitée par leur température de changement de phase, qui doit être sélectionnée avec précision pour l'application spécifique, ce qui les rend moins flexibles.
- Questions relatives à l'encapsulation et aux fuites : Les MCP sont sujets à des fuites à l'état liquide, en particulier les sels inorganiques qui peuvent corroder les dispositifs de stockage. Des techniques d'encapsulation spéciales sont donc nécessaires pour éviter les fuites.
- L'efficacité du stockage est influencée par l'environnement : La PCM est sensible aux fluctuations de la température ambiante. Par exemple, lorsque la température haute ou basse est en dehors de la plage de transition de phase, il ne peut pas tirer parti du stockage d'énergie.
Le rôle de la technologie TES et de la MCP dans la décarbonisation
Les technologies TES et les MCP sont essentielles dans les systèmes énergétiques à faible émission de carbone. Ces systèmes peuvent éviter efficacement le problème de l'intermittence en stockant et en libérant la chaleur de manière rationnelle.
Faire face à l'intermittence de l'électricité
Les sources d'énergie renouvelables, telles que le vent et le soleil, ont des processus de production d'électricité intermittents, ce qui peut conduire à une production d'électricité instable. La MCP, combinée à la technologie TES, peut stocker efficacement la chaleur résiduelle et l'énergie thermique excédentaire et la restituer pendant les périodes de pointe. Cela améliore considérablement la capacité d'alimentation de la centrale électrique et résout efficacement le problème de l'intermittence de l'énergie.
Réduction de la consommation d'énergie et augmentation de l'efficacité
En stockant l'énergie thermique grâce à la MCP, les centrales électriques peuvent équilibrer l'offre et la demande d'énergie thermique lors des fluctuations de puissance et maintenir un fonctionnement efficace. En effet, la technologie de stockage de l'énergie thermique conserve efficacement la chaleur qui serait autrement gaspillée sous diverses formes. Cette énergie est ensuite libérée lorsqu'elle est nécessaire, prolongeant ainsi la capacité de fonctionnement de la centrale. Cette conception maximise l'efficacité.
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FAQ
Les sels, les hydrates de sel et les paraffines mentionnés ci-dessus sont particulièrement adaptés au stockage de la chaleur. La paraffine et les hydrates de sel conviennent aux besoins de stockage de chaleur à basse et moyenne température dans les bâtiments, tandis que les sels tels que les nitrates conviennent mieux au stockage de chaleur à haute température.
L'eau est la plus économique, tandis que les sels ou les métaux fondus peuvent être chauffés à des températures plus élevées et absorbent mieux l'énergie.
Les matériaux PCB libèrent et absorbent de grandes quantités d'énergie à l'extérieur en fondant et en se solidifiant.
