Prediction of Supercooling in Latent Thermal Energy Storage Systems : Coupling Experimental and Statistical Approaches

Le stockage d'énergie thermique joue un rôle clé dans la transition énergétique. Il permet par exemple l'amélioration de l'efficacité énergétique en dissociant la production de l'utilisation de l'énergie.Le stockage d'énergie thermique latent, basé sur l'utilisation de matériaux à changement de phase (MCP), constitue une solution efficace de stockage grâce à la chaleur latente des matériaux. Toutefois, un des défis majeurs rencontrés avec certains MCP est le phénomène de surfusion. La surfusion correspond au fait que les MCP cristallisent à une température inférieure à leur température d'équilibre solide-liquide, ce qui peut nuire aux performances des systèmes en retardant le stockage latent, et donc réduit l'efficacité du stockage.La surfusion dépend de nombreux facteurs, dont l'un des plus importants est le volume. Elle diminue avec l'augmentation du volume de l'échantillon de PCM. En raison de cette forte dépendance au volume, les résultats de surfusion obtenus avec de petits volumes principalement à l'aide de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) ne peuvent pas être extrapolés directement à des systèmes de stockage thermique à grande échelle. La prédiction de la surfusion dans ces systèmes reste un sujet encore peu exploré dans la littérature scientifique. Par conséquent, concevoir un système de stockage latent fiable et efficace devient particulièrement difficile si la surfusion n'est pas prédite avec précision. De plus, l'impact de divers paramètres sur la surfusion demeure encore mal compris.Ce travail de thèse vise à prédire la surfusion. Le MCP retenu est l'eau qui est souvent utilisée dans les systèmes de stockage de froid et généralement présente beaucoup de surfusion si aucune précaution n'est prise.La première phase des recherches consiste à étudier de manière systématique, grâce à des campagnes expérimentales, l'influence des paramètres impactant la surfusion : la position de la sonde utilisée pour mesurer la température de cristallisation, la vitesse de refroidissement et le volume de l'échantillon, l'état des surfaces en contact avec le matériau. Un protocole expérimental est proposé, recommandant notamment le placement d'un thermocouple à l'extérieur de l'échantillon. Les expériences ont montré que l'augmentation du volume de l'échantillon ainsi que la rugosité de surface du récipient contenant l'échantillon réduisent la surfusion, tandis que la vitesse de refroidissement, pour les valeurs étudiées variant de 0,083 °C/min à 1 °C/min, a un effet négligeable.La deuxième phase de l'étude concerne le développement d'un modèle statistique basé sur les données expérimentales de surfusion issues de la DSC. Ce modèle vise à prédire la surfusion pour des volumes plus importants. Les résultats prédits ont été comparés à des données expérimentales obtenues pour des volumes d'échantillons de 3 mL et 500 mL. Le modèle a démontré une grande précision dans la prédiction de la surfusion, avec des erreurs respectives de 0,15 % et 6 % pour les volumes de 3 mL et 500 mL, à une vitesse de refroidissement de 1 °C/min.