Simple procedure to evaluate thermal energy storage densities of solid-gas systems: Application to solar energy storage in buildings

Abstract

peer reviewedThe development of an autonomous solar heating system for individual houses using inter seasonal thermo-chemical storage assuring all the needs of heat and hot water relies on the appropriate choice of the sorbent/vapour pair. The selection of the working pair is of primary importance and the selection procedure rarely takes into account all the parameters of the global system (like solar collectors, heat distribution system, thermal needs of the building). We propose a selection procedure in three successive steps, the first one is only based on thermodynamic data (pressure and temperature conditions), the second one includes heat and mass balances on the storage for a one-year period and the third one simulates the global system including the thermal needs of the building. This procedure highlights several promising working pairs which offer thermal energy densities higher than 300 kWh/m³ of reactor, but also allows the optimization of the storage system parameters: for example a 12 m³ reactor filled with CaCl2 coupled to a 14m² surface area solar collector offers an energy density of nearly 200 kWh/m³ of reactor whereas the activated carbon/methanol pair reaches only 60 kWh/m³ of reactor with a 40m³ volume reactor and 13m² surface area solar collector.Le développement d’un système thermochimique de stockage d’énergie solaire pour assurer l’autonomie thermique d’un bâtiment repose sur un choix approprié du couple sorbant/vapeur. La sélection du couple est primordiale et ne prend que rarement en compte tous les paramètres du système (capteurs solaires, système de distribution de chaleur, besoins thermiques du bâtiment). Nous proposons une procédure de sélection en trois étapes successives, partant d’une méthode purement thermodynamique (tenant compte uniquement des conditions de pression et de température requises), puis intégrant les bilans énergétiques sur le système de stockage sur une année climatique et enfin en tenant compte du système complet incluant les besoins thermiques du bâtiment. Cette procédure nous permet de mettre en avant des couples prometteurs atteignant des densités énergétiques de plus de 300 kWh/m³ de réacteur mais aussi d’affiner les paramètres du système complet : ainsi un réacteur de 12 m³ de CaCl2 couplé à une surface de capteur solaire de 14m² permet d’atteindre une densité énergétique de 200 kWh/m³ de réacteur alors que pour le couple Charbon actif / Méthanol la densité énergétique atteinte est de 60 kWh/m³ de réacteur (pour un réacteur de 40m³ et une surface de capteur solaire de 13 m²)SOLAUTAR