Stockage thermique par chaleur sensible : cas d’une centrale solaire à tour
LiOH et transition énergétique : matériau clé du stockage thermique

L’énergie thermique, ou chaleur, est la forme d’énergie exogène la plus ancienne exploitée par les êtres humains à la suite de la domestication du feu. Elle reste, avec la pression, un processus de transformation dominant dans les procédés industriels. Elle peut être utilisée telle quelle, pour produire de l’électricité, ou stockée. Le stockage consiste à préserver une quantité de matière contenant de l’énergie ou une quantité d'énergie produite, pour une utilisation ultérieure. L'idée est d'assurer l'équilibre production/consommation et d’optimiser les coûts en réduisant les pertes. Les technologies de stockage de la chaleur sont reconnues aujourd’hui parmi les plus prometteuses pour le déploiement d'un mix énergétique « intelligent », intégrant davantage de ressources énergétiques renouvelables.

À l’échelle macroscopique, trois principes physiques permettent à certains matériaux d’emmagasiner (ou libérer) la chaleur, sans se décomposer :

– la chaleur sensible $Q_{\mathrm{ s}}={\displaystyle {\int }_{T_{\mathrm{i}}}^{T_{\mathrm{f}}}V\mathrm{\hspace{0.17em}}\rho \mathrm{\hspace{0.17em}}{C}_{\mathrm{sp}\mathrm{.}}^{\mathrm{l}}\left(T\right)\mathrm{d}T}$ lors d’une chauffe (ou refroidissement) dans une plage de température donnée ;

– la chaleur latente $Q_{\mathrm{ L}}=L=m\mathrm{\hspace{0.17em}}\mathrm{\Delta }{H_{\mathrm{s}}}_{\mathrm{ }\rightleftarrows \mathrm{l}}$ qui se manifeste, à température quasi constante, lors de transformations d’états (solide/solide, solide/liquide, liquide/gaz, etc.) des matériaux dits « à changement de phases » (MCP) ;

– la chaleur thermochimique liée à la dissociation/recombinaison de deux matériaux lors de réactions thermochimiques endo- et exothermiques ; cas d’une transformation solide/gaz en général.

Le stockage par chaleur « sensible », le plus utilisé au cours de l’histoire, est le moins onéreux. Déjà, les Romains avant notre ère exploitaient l’hypocauste, ancêtre du chauffage central alimenté au charbon de bois. Un système de ventilation d’air chaud en sous-sol faisait monter la température d’une pièce à 30 °C. Un plancher suspendu, la suspensura, composé d’une épaisse couche de mortier de tuiles concassées et de chaux garantissait une conservation optimale de la chaleur pour l’époque. Aujourd’hui, on utilise l’eau dans les chauffe-eau domestiques, des sels fondus dans des centrales solaires pour la production d’électricité ou des matériaux solides pour les enveloppes de bâtiments (brique, béton, etc.). En termes de maturité technologique, très peu de perspectives d’amélioration sont attendues dans ce domaine. C’est l’exact opposé pour la technologie basée sur l’exploitation thermochimique des matériaux. Cependant, sa complexité ne permet pas encore une mise en place effective, malgré des densités énergétiques bien supérieures à celles des matériaux utilisés pour la chaleur sensible. Le potentiel d’exploitation de la chaleur latente se trouve à une étape intermédiaire : suffisamment étudié pour être mis en lumière et confirmé, mais sans atteindre le niveau final de maturité technologique pour une mise sur le marché. La conception et le dimensionnement efficaces d’un système de stockage par chaleur latente requièrent en effet une compréhension très approfondie des mécanismes de transitions des MCP en usage pour leur bonne exploitation.