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Résumé
- La chaleur est une des formes de l’énergie, et se mesure donc en joules. Mais elle n’est pas équivalente aux énergies mécanique et électrique. Celles-ci sont aisément convertibles entre elles dans les deux sens avec un très bon rendement et en chaleur avec un rendement de 100%. La conversion de chaleur en énergie mécanique est possible avec un rendement médiocre qui résulte du principe de Carnot, le plus souvent de 20% à 40% (moteurs conventionnels) et au mieux 60% (centrales à cycle combiné). Il s’améliore si la chaleur est disponible à une température élevée, et inversement.
- Le stockage thermique dans un matériau se fait par sa chaleur sensible, liée à l’élévation de da température, ou par sa chaleur latente, liée à un changement d’état, pratiquement fusion ou solidification.
- Un transfert thermique d’un corps à un autre nécessite un différentiel de température qui va toujours du plus chaud au plus froid, et réduit donc la température de cette chaleur.
Conversion
des énergies
La
chaleur est une des formes de l’énergie.
L’unité était autrefois la calorie,
qui est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter de 1°C la température
de 1 gramme d’eau, donc très concrète. Elle est maintenant exprimée en joules, qui a l’avantage d’être l’unité
rationnelle internationale, avec la relation : 1 calorie = 4,18 joules
Le joule est utilisée indifféremment
pour l’énergie mécanique, l’énergie électrique ou l‘énergie thermique (chaleur),
mais ceci ne signifie pas que ces énergies soient équivalentes, loin de là.
- L’énergie mécanique et l’énergie électrique sont aisément convertibles de l’une à l’autre, dans les deux sens, avec un rendement qui peut approcher les 100 % avec des machines de fortes puissances et bien conçues.
- L’énergie thermique, ou chaleur, est la forme la plus dégradée de l’énergie :
- L’énergie mécanique, comme l’énergie électrique, peuvent très aisément être converties en chaleur (respectivement par frottements et effet joule) avec un rendement qui est naturellement de 100%.
- La transformation directe de la chaleur en énergie électrique est extrêmement limitée et ne connaît aucune application énergétique, se limitant à la métrologie (thermocouples).
- La transformation de chaleur en énergie mécanique est courante, mais délicate, car régie par les deux principes de la thermodynamique, qui sont de portée universelle (gaz parfait ou non) :
- Le premier principe (conservation de l’énergie) indique que l’énergie mécanique produite par un fluide est égale à la chaleur Q1 reçue de la source chaude (amont) à la température T1 diminuée de l’énergie Q2 restituée à la source froide (aval) à la température T2.
- Le second principe (de Carnot-Clausius) stipule que Q1/Q2 = - T1/T2 (le signe - caractérise l’énergie restituée)
- Le rendement, compris comme le rapport entre Q1 et l’énergie mécanique restituée a un maximum théorique qui est : 1 - T2/T1.
- La plupart des moteurs thermiques ont un rendement réel compris entre 20% et 45%, et les systèmes les plus sophistiqués (centrales à gaz à cycle combiné) plafonnent vers 60%.
Il s’en suit que, pour être exploitable
ailleurs qu’en chauffage, la chaleur doit
être disponible à une température élevée. Sa « qualité » est
proportionnelle à sa température absolue. On note aussi l’importance de la
source froide : Si, par exemple, T1 = 700°K et T2= 350°K, alors une baisse de 10°K de la source froide
apporte autant qu’une élévation de 20°K de la source chaude.
C’est
pour cette raison que les centrales thermiques, nucléaires ou conventionnelles,
sont très souvent placées près d’un cours d’eau ou sur le littoral maritime, et
comportent des tours (souvent hyperboloïdes de révolution) de réfrigération
atmosphériques qui refroidissent par évaporation partielle (d’où leur panache
blanc de condensation), l’eau utilisée
pour le refroidissement des condenseurs des turbines à vapeur.
Stockage
thermique
L’absorption de chaleur est nécessairement due :
- Soit à l’élévation de température d’un corps, et elle est alors dite « sensible »,
- Soit au changement de l‘état solide vers l’état liquide (fusion) à température constante, et elle est alors dite « latente ».
Inversement, la restitution de chaleur est due :
- Soit à la baisse de température d’un corps restituant la chaleur sensible,
- Soit au changement de l‘état liquide vers l’état solide (solidification) à température constante, restituant la chaleur latente.
Notons qu’en application du 2ème
principe, la chaleur circule toujours du corps le plus chaud vers le corps le
plus froid. S’il n’y a pas de différence
de température il n’y a pas de transfert. Il s’en suit que :
- La température de stockage est nécessairement un peu inférieure à celle de la source amont.
- La température de restitution est nécessairement un peu inférieure à celle du stockage.
La chaleur latente de vaporisation,
beaucoup plus élevée que la chaleur latente de fusion, ne peut pratiquement pas
être exploitée en raison de la difficulté à stocker des gaz : très grand
volume, ou pression élevée qui modifie la température de vaporisation.
Prenons
pour exemple le stockage de 93 Kwh = 335 Mj = 80 000 Kcalories dans
1 m3 d’eau :
- sous forme de chaleur sensible, il faut élever la température de 80°C, par exemple de 10°C à 80°C (eau liquide)
- sous forme de chaleur latente, il faut liquéfier 1 tonne de glace en 1 m3 d’eau à température constante de 0°C.
L’intérêt de la chaleur latente est
évident, puisqu’elle permet d’opérer à température de stockage constante.
Toutefois la température de stockage de 0°C est trop basse pour la plupart des applications.
On verra plus loin que les températures
souhaitables pour le stockage de la chaleur sont, dans la pratique, dans deux
plages très différenciées :
- Stockage de chaleur d’origine intermittente (thermique solaire, ou électrique éolienne ou photovoltaïque), en vue de sa transformation ultérieure en énergie mécanique, puis électrique : le stockage doit être fait à une température aussi élevée que possible, limitée seulement par la technologie du stockage. On peut utiliser :
- La chaleur sensible de sels fondus choisis pour leur température de fusion appropriée et une chaleur latente élevée tels que le « HTS » (Heat Transfer Salt), aussi appelé HITEC®, un mélange de nitrate de potassium K NO3, de nitrite de sodium Na NO2 et de nitrate de sodium Na NO3, qui forme un eutectique liquide à 421°K, et utilisable jusqu’à 770°K. Ils ont l’avantage d’être liquides, ce qui permet de transporter la chaleur par circulation du liquide.
- La chaleur sensible de revêtements en briques, ou autres matériaux, réfractaires, dont la température peut dépasser 1000 °K, avec l’inconvénient d’être solides : un autre fluide, l’air par exemple, soit apporter la chaleur et venir la rechercher
- Stockage de chaleur de toutes origines pour utilisation ultérieure sous forme de chauffage domestique ou tertiaire, ou d’eau chaude sanitaire. On peut utiliser les mêmes solutions que ci-dessus avec des matériaux appropriés aux températures plus basses, mais l’eau, qui est à la fois propice au stockage jusqu’à 100°C, au chauffage des locaux par radiateurs, et utilisée en l‘état (après mélange) pour l’eau sanitaire, est la solution la plus fréquente.
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