Stockage inter saisonnier du solaire thermique

[lilian07]

armis tout tes materiaux il manque l'eau ... qui doit sortir du cadre !

Oui elle n'y est pas car c'est volontaire (c'est la référence 4180 J/°/kg).

Au début de ce post j'ai eu la même réaction que toi, mon projet initial fut d'enterrer une cuve d'eau....J'avais les moyens d’excavation approprié et mais les calculs mathématiques démontre le contraire (voir ce post au début....).
Par ailleurs j'estime que c'est plus simple et en faisant le tour du problème et en confrontant les coût de réalisation il s'avère que c'est une impasse économique à mon echelle.

Il existe des STES par cuve enterré fotement isolé avec PSE de très forte capacité > 10 000 m3 et le rendement global est supérieur au BTES.
Le BTES est capable de restituer environs 10 kwh/m3 de matière alors que le STES peut en restituer 50 Kwh.
Toujours dans un domaine exploitable sans PAC c'est à dire pour 30° de delta de température ....si je me la "raconte" je parle d'Exergie....mais on s'en moque puisque les chiffres que j'annonce prennent bien en compte l’énergie réelle exploitable (ça va de soit et c'est expliqué pour ceux qui veulent bien lire)
Pour le calcul de mon "système global" la température au delà de 40° et jusqu'à 70°est exploitable par le plancher chauffant.
J'ai conscience que même si le capteur tube me donne des températures supérieur, le BTES et le système dans son ensemble lui n'ira certainement pas au delà de 70°!!!

En revanche économiquement le STES n'est pas rentable aujourd'hui et en réalisant l'étude de la faisabilité, je me rends compte que c'est techniquement difficile et très couteux même avec de la récupération.

Partons du principe que la démonstration mathématique n'arrive pas à démontrer la déperdition de la cuve.
Une cuve de stockage de 100 m3 coute très chère quelques milliers d'euro même sur le marché d'occasion, l’excavation aussi et même en réalisant ce genre de travaux, la cuve doit être enterrée très profonde à partir de -5m on commence à avoir des problèmes avec les engins de chantier (commun) et la masse de terre à bouger très problématique...., par ailleurs il faut prévoir ensuite une très forte isolation imputrescible (PSE sur 400mm) très couteuse... sans parlé de prévoir une structure au dessus avant de reboucher pour aller dans la cuve et reboucher tout ça si le terrain s'y prête.

double fonction ! si l'eau a plus de valeur que l’énergie on peut l'utiliser pour stocker l'eau de pluie

Très honnêtement je ne pense pas que ça arrive demain mais on peut éventuellement envisager de rattraper une petite partie de l'investissement de départ raté transformé en cuve de récupération des eaux ( un vrai échec économique).

Entre l'eau et le sol il y a un rapport de 4 en énergie exploitable....pour comparer est ce qu'une cuve de stockage sphérique fortement isolée de 250 m3 (une sphère de 4m de rayon) comparée à du sol 1000 m3 (une sphère de 6,2
m de rayon) est plus pertinent que 36 forages...

Dans ce long post on est arrivée à la conclusion que les forages sont trop couteux pour être rentables pour un BTES c'était devenu le noeud du problème que j'admets avoir résolu en diminuant le coût du forage de manière drastique après l’échec de ne pas avoir pu diminuer le prix des panneaux thermiques en autoconstruction.
En revanche lorsque la cuve est gratuite (aquifère, c'est ce système qui l'emporte) Pour donner un exemple avec de très gros chiffres....

le premier calcul a faire serait de trouver a partir de quelle diamètre de réservoir la terre est plus efficace qu'une bonne vieille couche de laine de verre

C'est sans appel lorsqu'on est sur de l'isolation courte durée et de petit volume c'est la résistance thermique de la laine de verre qui l'emporte sur de la terre....mais en intersaisonnier c'est la loi de la racine carrée de la distance qui l'emporte. Il faut le voir en parlant de la diffusivité (voir ce post)

Enfin dans un BTES il y a toujours une cuve d'eau isolée (Ballon tampon) pour exploiter au maximum le meilleurs système de stockage (temps de stockage long ou court) pour l'utilisation envisagée.

C'est important de voir tout ces cas car je pense qu'un piège peut toujours se glisser dans ce système...plus je me rapproche de la tentative plus je me dis qu'il va y avoir un os imprévisible!!

[lilian07]

Un exemple de cuve enterrée pour @chatelot16 en température établie...

La caverne d’Avesta a un volume d’environ 15 000 m3 (45 m de longueur, 18 m de largeur, 22 m de hauteur) et se situe à 25 m de profondeur (Figure . Elle a été initialement construite en 1982 pour un projet de recherche puis connectée ensuite au système de chauffage de la ville (Martna, 1983). Elle est toujours en fonctionnement (Cabeza 2014) et renferme de l’eau sous pression à 115 °C.

[chatelot16]

que ça soit une citerne d'eau ou une zone de terre chauffé le premier travail a faire est de comparer l'isolation thermique par le sol avec d'autre moyen d'isoler

pour simplifier je considere une citerne ( ou zone chauffé ) spherique et a grande profondeur

si on considere qu'a une distance suffisament grande R2 la terre reste a sa temperature normale


Rth = ( 1 / 4 pi lambda ) ( 1/R1 - 1/R2 ) https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9si ... conduction

le resultat remarquable est que si R2 tend vers l'infini la resistance thermique atteind une limite qui ne depand que de R1 : ça confirme ce que j'expliquait a un autre message : plus on s'eloigne du centre moins le sol est utile pour isoler parce que la surface des sphere est trop grande

Rth = 1 / 4 pi lambda R

autre facon de voir : imaginons de remplacer la conduction par des sphere concentrique par une conduction sur une surface plate
Rth = e / lambda S

surface de la sphere S = 4 pi R^2

1 / 4 pi lambda R = e / lambda S


1 / 4 pi lambda R = e / lambda 4 pi R^2

e = R

une sphere enterré profond a donc la même resistance thermique qu'un mur de terre plat de même surface que la shere et d'epaisseur egale au rayon de la sphere

un reservoir sperique de 1m de rayon est donc isolé comme si sa paroit etait plate et de 1m d'epaisseur ... 1m de terre ca n'isole pas grand chose

un reservoir de 100m de rayon et isolé comme si il avait un mur plat de 100m d'epaisseur : c'est beaucoup mieux

lambda terre seche = 0,75
lambda laine de verre = 0,04
0,75 / 0,04 = 18,75

pour etre equivalent a 20cm de laine de verre il faut 0,2 x 18,75 = 3,75 m de terre

donc a 3,75m de rayon un reservoir enteré est isolé comme si il y avait 20cm de laine de verre

mais 20cm de laine de verre ce n'est pas forcement suffisant pour aller de l'eté a l'hivers ... il faut faire plus grand

ça confirme ce que je pense depuis longtemps : ce principe serait efficace si il etait construit très grand , a l'echelle d'une ville , avec tous les toits solaire branché sur une citerne unique

[lilian07]

Avec ces analyses de bon sens, il est évident que ce n’est pas simple de faire des analogies avec des isolants communs mais pourtant c’est essentiel pour essayer de comprendre.
L’équation de chaleur qui matérialise la conduction thermique est un système complexe qui provient de la différence de température entre 2 milieux et qui provoque ce flux thermique dans le sens chaud-froid irréversible selon le principe de la loi universelle de la thermodynamique.

Depuis 1804 Fourier a Établi cette équation vérifiée quelques années plus tard :
En équation diff simplifiée (1er ordre une dimension suffisant pour comprendre) :

Phi = λ.S ∂T/∂x

Phi : flux de chaleur (W)
λ : conductivité thermique (W/m/°)
S : section de passage du flux (m²)
X : distance dans la direction du flux

L’analyse par la résistance thermique sous-entend 2 hypothèses majeures, le système est à l’équilibre thermique donc en mode stationnaire et le transfert est unidimensionnel (mur simple dans le cas d’un bâtiment)
En simplifiant l’équation diff : T(x=0) = T1 et T(x=epaisseur mur)=T2

Phi = λ (T1-T2)/e

C’est un profil linéaire (mode stationnaire) qui ne fait plus intervenir le temps et on peut retrouver l’analogie à la loi d’ohm en électricité. Avec Ut1t2 en tension et R=e/ λS (le flux phi étant le courant).

Ceci dit cette simplification permet d’expliquer le fonctionnement de la plupart des phénomènes thermiques comme les moteurs, l’isolation d’un bâtiment, la conductivité thermique des métaux…
Ce mode stationnaire fait disparaitre la constante de temps ce qui suppose d'appréhender ce qui se passe avant.

Toute matière peut se caractériser par sa résistance thermique mais ce qui m’intéresse dans le stockage c’est le parcours du flux, donc intuitivement je caractérise le milieu traversé par la chaleur par 2 phénomènes :

1) la résistance thermique
2) le déphasage thermique ; c'est-à-dire la capacité des matériaux composant l'enveloppe à ralentir les transferts de chaleur notamment du chaud

"déphasage thermique, utile par exemple en été pour empêcher la pénétration de l'énergie du rayonnement solaire le jour et la rejeter la nuit"

Ce déphasage thermique est en rapport avec la diffusivité thermique des matériaux. Elle existe même pour la laine de verre.

On comprend alors qu’une matière plutôt massive va conduire d’avantage mais aussi contenir d’avantage le flux de chaleur pendant la période transitoire jusqu’à l’équilibre thermique.

« Lors de la construction ou de la rénovation d'une habitation par exemple le déphasage thermique pose quelques problèmes selon la diffusivité des matériaux utilisés (hormis pour le cas d'une isolation par l'extérieur). Pour les combles, comme la couverture ne freine que peu le transfert de chaleur, la diffusivité thermique des matériaux isolants est dès lors beaucoup plus importante. »

En fait, lorsque la conductivité est inférieure à 1 nous sommes dans les isolants, lorsque nous sommes au-dessus de 10 nous sommes dans les conducteurs (les métaux en général) entre les 2 nous sommes dans les 2 cas à la fois, ce qui est intéressant car nous sommes isolant et donc stockant.

Si nous regardons la laine de verre avec l’aspect diffusivité pour mieux caractériser son temps de réponse à la chaleur, cette dernière est très légère donc ne stock pas, on utilise uniquement son caractère résistif à la chaleur.

D= diffusivité
λ : conductivité thermique (W/m/°)
ρ : masse volumique du matériau (kg/m3)
c : capacité thermique du matériau (J/kg/°)

Diffusivité laine de verre : 0,94 ( mm²/s)
Diffusivité roche (1 mm2/s)

En prenant en compte la capacité thermique de la matière on s’aperçoit que le front de chaleur se déplace sensiblement à la même vitesse dans la laine de verre que dans la roche.
Par analogie avec la résistance thermique 3m de terre n’est pas équivalent à 20 cm de laine de verre (le mode établit simplifier n'est plus applicable).

En allant plus loin on peut caractériser la durée de maintien de chaleur de 20 cm de laine avant le début de chute de température sur sa face froide (avant phase transitoire) soit 10 minutes environs…la phase transitoire est assimilable au modèle électrique mais avec une capacité qui se décharge/charge et qui provoque une variation de flux (courant=thermique) traversant la résistance. On caractérise alors le taux de décharge à 99% (matérialiser en thermique par la conductivité, la surface apparente traversée , une constante de flux thermique et la capacité thermique du milieu) pour éviter d’avoir un temps infini jamais atteint, soit à l’équilibre thermique on obtient après calcul une tenue de quelques jours avant d’avoir perdu 99% de la chaleur.....(décroissance exponentielle)
Dans la terre (diffusivité similaire) on aura au bout de 10 minutes à environs 20 cm un début de perte beaucoup plus rapide car la conductivité du milieu est bien supérieure...Taux de décharge plus rapide.

En conclusion la diffusivité et la conductivité sont 2 phénomènes qui caractérise la même chose, la pénétration d'un flux thermique, mais la diffusivité prend en compte la capacité thermique du milieu et sa capacité à ralentir ce flux notamment en mode transitoire.

En allant plus loin dans cette réflexion sur de grande dimension et dans les matériaux massif, ralentir c’est stocker de la chaleur et sur cette longueur dans la masse et ce temps long on peut récupérer les calories avant leur sortie du milieu de captage.

[lilian07]

Suite à l'interrogation de Chatelot16 sur l’intérêt de définir le stockage par la résistance thermique, j'ai tenté de faire un point de situation sur la modélisation d’un BTES par un circuit électrique.
A première vue, sans la phase transitoire on pourrait modéliser un champ de puits simplement par un circuit équivalent résistif.
Ce qui correspondrait à évaluer les pertes potentielles au bout de la période de stockage (6 mois pour ma part).
Et bien je pense que ça peut avoir de l’intérêt mais il faut alors essayer d’évaluer la marge d’erreur associée même si c'est difficile et si on doit passer par des approximations grossières.
L’intérêt et de quantifier ce que pourrait être ces fameuses pertes thermiques et évaluer l’intérêt pour des stockages de l'ordre de 1000 m3.
A première vue en faisant les approximations suivantes :
Je considère que le sol est uniforme, le débit et le transfert de chaleur dans le tube d'injection est également constant (moyenne des températures entrée/sortie), le milieu infini, pas de phase transitoire, en se plaçant à la fin du stockage théorique, en ne réalisant que de l’injection (Avril-Septembre), en considérant l'injection comme continue (moyenne d’énergie provenant des capteurs) alors je pense qu'un schéma équivalent est possible et peut permettre de se donner un ordre de grandeur.
Après une première tentative infructueuse (approximation trop grossière à mon goût) je me suis replongé dans les thèses récentes que je me suis procuré provenant d’un des pays les plus en avance dans le domaine, le CANADA.
Oh ! miracle dans une des thèses de l’école polytechnique de Montréal dont le mémoire s’intitule ÉLABORATION ET VALIDATION D'UNE SUITE ÉVOLUTIVE DE MODÈLES D'ÉCHANGEURS GÉOTHERMIQUES VERTICAUX on trouve une tentative de modéliser l’influence thermique d’un puit de stockage type BTES par résistances et capacités permettant par ailleurs d’évaluer la phase transitoire.

Malgré quelques approximations, l’auteur évoque la possibilité de se rapprocher des résultats expérimentaux avec un écart acceptable (je vais donc tenter de m’inspirer des résultats analytiques afin de tracer la courbe de réponse du BTES).
Cette thèse permet de simuler à l’aide d’un modèle électrique une multitude de configurations possibles (modèle analytique) mais elle conclut qu’il y a encore des approximations à lever notamment sur le fait que le fluide dans les tuyaux a une température qui varie progressivement de Tin à Tout, que des puits de faibles profondeurs non isolés doivent prendre en compte l’influence des températures sur l’année et qu’il y a des effets d’influence de la diffusion de chaleur de haut en bas non négligeable surtout sur les petits BTES.

Actuellement la plupart des BTES en cours de constructions ou à l’étude sont des échangeurs thermiques dans le sol (type multi-puits de forage) associés à une PAC qui permet d’augmenter le rendement général du système en réduisant la température de stockage (un système de calorie entre le sol et l'habitat).
Ceci permet surtout de diminuer le nombre de capteurs thermiques et le nombre de forages permettant de rendre le système économiquement viable et reconnu.
Hormis le cas exceptionnel de Darke landing qui représente un taux de couverture solaire de 95% sur l’année sans recours à une PAC mais non viable économiquement (les 5% manquant sont générés par une centrale au Gaz), les BTES associés aux petites PAC sont certainement ce qu'il y a de plus crédible à l’échelle industrielle.

[chatelot16]

la diffusivité est une qualité inutile ... quand on veut une grande inertie thermique il ne faut pas chercher une grande diffusivité pour un materiaux unique ... il faut mettre au centre un materiaux a grande chaleur volumique ... et autour un materiaux isolant ... même si la diffusivité de ces 2 materiaux sont faible c'est cette association qui aura la plus grande inertie

de la même façon que pour faire un filtre en electronique , on ne cherche pas un composant a la fois capacitif et resistif : on met une bonne resistance et un bon condensateur bien séparé

[lilian07]

Bonjour,
Suite aux interrogations multiples et aux scepticismes légitimes des différents intervenants sur ce post, j'ai du poursuivre mes recherches sur le stockage inter-saison en prenant contact notamment avec les experts du BRGM (projet Solargeotherm). Ceci dans le but de lever toutes interrogations avant de débuter un projet complexe et extrêmement novateur.

Une des grosses questions "épineuse" c'était de savoir si le stockage thermique intersaison est réalisable à l’échelle d'une résidence.

La grosse difficulté avec la "thermique" c'est que les phénomènes transitoire (transfert et stockage) ne peuvent être abordés simplement par les mathématiques (Loi de Fourier 1804) car le phénomène est discret (transfert de chaleur latente de proche en proche) et s'apparente à une loi probabiliste.
Pour mieux comprendre : http://robert.mellet.pagesperso-orange. ... iff_01.htm

De cette difficulté les mathématiciens on recours à une astuce qui consiste à utiliser les calculs par éléments finies, plus simple et facilement programmable. ce mode de calcul simple demande néanmoins beaucoup de puissance machine afin d'avoir des résultats précis et se limite bien souvent à de la 2D suffisant pour approcher les phénomènes 3D (marge d'erreur 2%).

J'ai pu enfin me procurer des informations précieuses et surtout dans mes recherches j'ai pu identifier des logiciels simples de simulation thermique permettant de vérifier un certain nombre de paramètres essentielles notamment sur l'existence d'un seuil critique du stock.
Cette capacité de simulation permet par ailleurs de trouver plus facilement le système le plus rentable car la rentabilité porte souvent en elle une certaine forme de simplicité et permet l'optimisation de paramètres de performance.

La simulation fût pour moi capitale à défaut d'être capable de pouvoir évaluer mathématiquement les résultats.

Ce que je retiens simplement au final avec toute mes recherches et les lectures sur le sujet du stockage inter saisonnier c'est :

1. L’essentiel dans cette question de géostockage de chaleur est de minimiser les pertes de chaleur par diffusion, donc (a) exclure tout volume rocheux où il y a circulation ou même présence d’eau, et (b) retenir une géométrie du géostockage qui minimise les surfaces extérieures par rapport au volume intérieur, c’est à dire pour un BTES (stockage par puits géothermique) un cylindre dont le rayon est égal à la hauteur (on suppose qu'on peut isoler thermiquement certaines faces du stockage ou laisser diffuser en douceur vers un milieu désiré).
Dans mon cas de 1200m3 de "sol", le volume idéal est donc un cylindre de 7.3m de rayon sur 7.3m de hauteur (je suppose que je peux isoler la surface sinon le volume idéal serait un cylindre dont le diamètre est égal à la hauteur).

2. Il faut équiper une densité d’échangeurs géothermiques suffisante pour assurer la puissance d’injection et de soutirage qu'on recherche. Compte tenu de la température de travail très similaire à celle de la géothermique sur sondes géothermiques verticales, une puissance de 40 à 50W/m d’échangeur est une base de départ.

3. Il faut toujours simuler à défaut de pouvoir calculer avec ce genre d'ouvrage thermique et il paraît difficile de s'exclure d'une PAC à défaut d'avoir l'assurance en toute circonstance de pouvoir toujours exploiter les calories (température du stock au dessus de l'utilisation).

Je dois encore vérifier plusieurs choses notamment sur intéret d'un préchauffage de stock avant l’injection de calorie provenant de panneau solaire.
Les simulations sont longues....
Bon dimanche

[fretjex]

Bonjour,

une entreprise hollandaise (bientôt aussi française) vend déjà des solutions de stockage intersaisonnier: https://www.hocosto.com/product/

ma question: est-ce que quelqu'un connaît des entreprises qui offrent des solutions de stockage intersaisonnier (dans de l'eau, la terre, ...) sur le marché français?

merci,
Erik

[lilian07]

Bonjour,
Aucune entreprise française ne réalise ce type d'offre.
Pourtant ce stockage fonctionne mais semble encore limité à des projets d'envergures.
En auto construction et avec la baisse des coûts des panneaux solaires thermiques et des pompes à chaleur eau-eau le stockage intersaison se rentabilise en moins de 10 ans.
En plus ce type d'approche est de plus en plus pertinent avec des pics de chaleur extrême en été.

[Christophe]

Bonjour,

une entreprise hollandaise (bientôt aussi française) vend déjà des solutions de stockage intersaisonnier: https://www.hocosto.com/product/

ma question: est-ce que quelqu'un connaît des entreprises qui offrent des solutions de stockage intersaisonnier (dans de l'eau, la terre, ...) sur le marché français?

merci,
Erik

Houla cela me semble bien compliqué (donc couteux) comme solution!

Une piscine ou un réservoir souple de type bâche dans la cave ou vide sanitaire et 1 bon gros échangeur peur faire l'affaire!