Chaire « Eco-conception des ensembles bâtis et des infrastructures »
Journée Stockage d’énergie dans l’habitat 21 octobre 2009, Marne la Vallée
Dans le cadre de la chaire ParisTech Vinci « Eco‐conception des ensembles bâtis et des infrastructures », la journée du 21 octobre se propose de faire un état des lieux des connaissances au niveau national sur le stockage d’énergie dans l’habitat. Programme : 9h30‐10h30 : Patrick Achard, Centre Energétique et Procédés CEP, Mines ParisTech, Problématique générale de l'emploi des matériaux à changement de phase dans le bâtiment 10h30‐11h30 : Gilles Fraisse, Institut National de l’Energie Solaire, INES, Stockage solaire thermique et efficacité énergétique 11h30‐12h30 : Frédéric Kuznik, Centre de Thermique de Lyon CETHIL, INSA Lyon, Stockage de chaleur dans les bâtiments à basse consommation 14h‐15h : Sandrine Pincemin, CSTB, Stockage d'énergie pour les bâtiments : les aspects électriques 15h‐15h30 : Olivier Baverel, UR Navier, Benoit Gars, Johanna Navarro, Ponts ParisTech, Stockage d’énergie dans l’habitat par des énergies renouvelables (intermittentes) Le développement durable est une préoccupation actuelle. L’objectif du plan climat 2004 en France est la réduction des émissions de gaz à effet de serre d’un « facteur 4 ». Or, le secteur du bâtiment représente 43% de l’énergie consommée et 23% des émissions de CO2. Dans ce cadre, le stockage de l’énergie est un enjeu très important. En effet, un des objectifs affiché suite au Grenelle de l’environnement est le passage à 20% de la part des énergies renouvelables. Or ces énergies (éoliennes, solaires, …) sont des énergies intermittentes. Outre le problème du transport, puisqu’elles ne sont pas forcément produites là où on en a besoin, leur stockage est un enjeu majeur, puisqu’elles ne sont pas produites forcément quand on en a besoin (exemple du solaire produit essentiellement l’été). D’autant plus que la production électrique en France par les centrales nucléaires n’est pas lisse. Un stockage permettrait un lissage des pics de surconsommation et permettrait également d’envisager plus sereinement des périodes de manque. Les différents principes de stockage thermique ont été présentés. Tout d’abord le stockage par chaleur sensible qui se base sur l’idée de conserver l’énergie thermique (agitation moléculaire) dans la masse d’un matériau par accumulation, en évitant les transferts de chaleur. La capacité de stockage sensible est associée à la capacité calorifique C [kWh/m3K]. Le stockage par chaleur latente, quant à lui est basé sur la conservation de l’énergie thermique en utilisant le changement de phase. On cherche ici à mobiliser une enthalpie ; la chaleur latente c’est l’enthalpie de changement de phase. Le stockage par sorption, pour lequel il s’agit de conserver l’énergie thermique en utilisant des liaisons intermoléculaires. Il est basé sur les réactions exothermiques d’adsorption dans des solides (zéolithes et gel de silice) ou dans des liquides (LiCl et BrLi). Enfin le stockage chimique consiste à conserver l’énergie en utilisant les liaisons de valence (recombinaison exothermique de 2 solides ou liquides).
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Patrick Achard nous a rappelé que la problématique de l’intégration des matériaux à changement de phase pour un usage bâtiment est présente depuis 1978 à l’école des Mines. L’intérêt pour les matériaux à changement de phases (MCP), très marqué dans les années 1970, est complètement tombé en désuétude à la fin des années 1980 avant de connaître un regain d’intérêt vers 2005. Pour cette problématique, l’eau doit être vue comme un matériau de référence avec une enthalpie de changement de phase de 330 kJ/kg. Les différentes catégories de matériaux à changement de phase sont les métaux (applications bâtiment limitées étant donné les températures d’usage), les hydrates salins (ex. sulfate de sodium décahydraté ; peu cher mais intérêt limité par l’irréversibilité des CP), les corps organiques posant moins de problèmes de réversibilité mais combustibles et plus chers, les sels pour les plus hautes températures. Il existe un certain nombre de problèmes à résoudre concernant ces matériaux et leur utilisation potentielle dans le bâtiment : leur conditionnement mais également la difficulté de trouver une source froide quand il fait chaud et qui fait que cela ne marche pas en statique. Mais il existe des solutions commerciales (par exemple par BASF ou Energain® par Dupont de Nemours). Cependant, il est illusoire de chercher à identifier un matériau à changement de phase générique, le choix d’un MCP dépendra toujours du climat local et de l’application. En conclusion ces matériaux à changement de phase permettent de gagner de l’énergie en mi‐ saison et de contribuer à l’obtention de conditions de confort en participant à l’inertie notamment pour des bâtiments légers. Gilles Fraisse rappelle que les différents principes de stockage offrent des densités d’énergie disponibles très différentes, sur des gammes de températures différentes ; ordres de grandeur : changement de phase (2.102 à 7.102 MJ/m3), sorption (5.102 à 2.103 MJ/m3), chimique (2.103 à 3.104 MJ/m3). Les différents principes de stockage doivent être mis en relation avec les durées sur lesquelles le stockage est envisagé : court terme (journée), moyen terme (semaine) ou long terme (saisonnier, 3 à 6 mois) ? Il termine son exposé par la présentation de différents systèmes existants de chauffe‐eau solaire associant un ballon d’eau chaude stratifié à différents dispositifs de captage de l’énergie solaire : panneau solaire thermique, capteur solaire à air, mur ventilé, etc. Frédéric Kuznik a présenté les différents principes de stockage en mettant en parallèle leur intégration au bâtiment. Il a choisi un bâtiment à architecture bioclimatique, 191m² de surface chauffée, 20m² de capteurs solaires thermiques, situé à Paris. Les besoins d’énergie pour le chauffage de l’air intérieur et l’eau chaude sanitaire s’élèvent respectivement à 22kWh/m²/an et 9kWh/m²/an. Un stockage par chaleur sensible nécessiterait 72m3 d’eau ou 130m3 de béton si ΔT=70°C ; un stockage latent, 55 m3 de matériaux à changement de phase ; un stockage par sorption, 29 m3 de zéolite et un stockage chimique 2 m3 de sulfate de magnésium. Sandrine Pincemin nous a présenté les réflexions développées actuellement par le CSTB sur le stockage d’électricité. Au cours de la présentation, les différentes technologies de stockage ont été évaluées : batteries au plomb, lithium, volant à inertie, super‐conducteur, piles à combustibles. Malgré un coût encore important, les batteries Li‐ion apparaissent comme une piste prometteuse en raison de la densité d’énergie stockée, de la puissance disponible et de leur durée de vie. Actuellement, deux pistes sont envisagées au CSTB. La première concerne l’utilisation de batteries couplées aux panneaux photovoltaïques intégrés au bâtiment, afin de favoriser l’autoconsommation (étude et comparaison de différents scenarii de gestion). La deuxième concerne le développement du couplage habitat/transport et l’utilisation du véhicule électrique comme un stockage mobile. Johanna Navarro et Benoit Gars (étudiants de l’école des Ponts ParisTech) nous ont présenté un travail de projet réalisé sous la direction d’Olivier Baverel. L’objectif de leur projet était de concevoir une maison relativement économe en énergie puis de la munir de moyens de stockage d’énergie disponibles sur le marché pour la rendre énergétiquement autonome. Enfin ils ont cherché à évaluer la possibilité de rendre cette maison à énergie positive sur différents sites (Nancy, Trappes, Rennes, Mâcon, Nice). Pour ce faire, ils proposent des énergies d’appoint renouvelables (bois de chauffage, incinération des ordures ménagères combustibles, méthanisation des ordures ménagères putrescibles, …) et démontrent que dans de nombreux cas, l’autonomie énergétique peut être atteinte par combinaison de différentes solutions.
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Une trentaine de personnes ont participé à cette journée. Deux tiers de ces personnes étaient issues des laboratoires de l’école des Ponts (chercheurs et chercheurs en formation). Des industriels ont également assisté à cette journée (issus de Vinci, EDF et consultant). Ce type de journée offre des opportunités de croisement intersectoriel. En l’occurrence autour de la problématique du stockage de l’énergie dans l’habitat, se sont retrouvés représentants des matériaux, de la Construction/Génie civil et de l’énergétique.
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