Crédit: Rapports cellulaires Sciences physiques (2024). DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.101986
Des températures glaciales. Chaleur implacable. Des pannes de courant qui durent des semaines. Les chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) prévoient des conditions météorologiques extrêmes en calculant ce qu’il faudra pour que la situation puisse survivre.
Une étude récemment publiée par le NREL utilise un modèle informatique pour examiner les méthodes qui augmentent la sécurité des occupants, définie par le nombre d’heures nécessaires à la température intérieure pour atteindre un certain point. Lors d’une tempête hivernale, le seuil de sécurité était supérieur à 15 °C. Lors d’une vague de chaleur, le seuil était inférieur à 33 °C.
L’étude se concentre sur les options de rénovation des bâtiments existants et révèle que si l’ajout d’isolation et l’étanchéité de la maison contre les fuites d’air augmenteront la résilience, l’utilisation de matériaux à changement de phase (PCM) améliorera considérablement les heures de sécurité. Les PCM sont conçus pour stocker de la chaleur ou du froid, ne nécessitent pas d’électricité et peuvent être efficaces même s’ils ne sont utilisés que dans un espace plus petit.
« En pratique, il serait plus judicieux d’ajouter des PCM dans une petite chambre ou un placard que dans toute la maison », a déclaré Ravi Kishore, ingénieur de recherche senior du NREL et co-auteur de « Enhancing thermal resilience of US residential homes in hot humide climates during extreme temperature events ». L’article, publié dans la revue, Rapports cellulaires Sciences physiquesa été co-écrit par Sajith Wijesuriya, Marcus Bianchi et Chuck Booten du NREL.
En utilisant le modèle de bâtiment résidentiel ResStock développé par le NREL, les chercheurs ont calculé le nombre d’heures de sécurité dont bénéficierait un habitant d’une maison unifamiliale en cas d’événement météorologique extrême. Le modèle informatique a basé ses calculs sur une maison typique de 2 000 pieds carrés construite à Houston, au Texas, dans les années 2000. Bien que le travail se soit concentré sur une ville en particulier, les chercheurs ont déclaré que les résultats sont applicables à d’autres communautés frappées par des conditions météorologiques extrêmes.
Un scénario de référence, dans lequel aucune mesure n’était prise pour atténuer les extrêmes de température lors d’une panne de courant, a déterminé que la sécurité des occupants serait compromise en deux heures lors d’une vague de froid et en 12 heures lors d’une vague de chaleur.
Les améliorations qui incluent les PCM comme solution de stockage d’énergie thermique prolongent cette durée à 44 heures dans le froid et à 37 heures dans la chaleur sans aucun préconditionnement. Les maisons situées dans des zones où les températures sont extrêmes doivent envisager deux types de PCM, disposés en couches, car chaque matériau a des plages de fusion différentes.
Matériaux à changement de phase pour améliorer la résilience des bâtiments
Les PCM stockent l’énergie thermique pour maintenir la température du bâtiment plus longtemps et peuvent être intégrés dans les murs et les plafonds. Les PCM restent à l’état liquide pendant une journée d’hiver typique et sont solides pendant une journée d’été moyenne. Lorsque des conditions météorologiques extrêmes surviennent, le PCM réagit lorsque la température atteint un certain point. Lors d’une vague de chaleur, par exemple, le PCM se liquéfie progressivement et absorbe la chaleur, empêchant une augmentation soudaine de la température de l’air intérieur.
L’épaisseur du PCM joue un rôle dans la résilience du bâtiment aux températures extrêmes. Plus le matériau est épais, plus la résilience thermique est grande. Le modèle informatique de cette nouvelle étude a utilisé trois quarts de pouce comme épaisseur par défaut et a supposé que le PCM était complètement gelé avant une vague de chaleur et complètement fondu avant une tempête hivernale. L’emplacement du PCM s’est également avéré important pour prolonger le nombre d’heures avant que la santé d’un occupant ne soit menacée.
Recherche sur le stockage de l’énergie thermique au NREL
NREL fait progresser la viabilité des PCM et des solutions plus larges de stockage d’énergie thermique (TES) pour les bâtiments grâce au développement, à la validation et à l’intégration de matériaux, de composants et de systèmes de stockage hybrides de stockage thermique. Les systèmes TES stockent l’énergie dans des réservoirs ou d’autres récipients remplis de matériaux, tels que de la glace, de la cire, du sel ou du sable, pour une utilisation à un moment différent. Par exemple, les systèmes TES peuvent stocker l’excès d’énergie solaire ou éolienne pour une utilisation pendant une période où le soleil s’est couché ou où le vent ne souffle pas.
Les technologies TES ont de nombreuses applications, du stockage d’énergie à l’échelle du réseau au stockage de chaleur et de froid des bâtiments. Lorsqu’elles sont intégrées dans un appareil, ces « batteries thermiques » contiennent un matériau de stockage, des échangeurs de chaleur pour fournir et extraire la chaleur stockée, et une isolation pour empêcher la chaleur stockée de s’échapper.
Un récent article de revue publié dans Sciences de l’énergie et de l’environnement Les chercheurs du NREL Jason Woods, Wale Odukomaiya, Allison Mahvi et Shannon Yee décrivent une analyse de mise à l’échelle des coûts pour les batteries thermiques, qui prend en compte les propriétés du matériau, de l’échangeur de chaleur et de l’isolation. Ces informations peuvent aider les chercheurs à déterminer quelles technologies auront le plus grand impact sur la réduction du coût global du système.
Le projet Degradation Reactions in Electrothermal Energy Storage (DEGREES) du NREL, dirigé par le Energy Earthshot Research Center, vise à faire progresser notre compréhension fondamentale des mécanismes de dégradation des matériaux destinés au stockage d’énergie électrothermique de longue durée.
De nombreux partenaires issus de laboratoires nationaux et d’universités travaillent ensemble pour comprendre la dégradation, apprendre à la contrôler et traduire rapidement ces connaissances afin d’améliorer le stockage d’énergie de longue durée. Ce stockage est essentiel pour soutenir un réseau électrique avec davantage d’énergies renouvelables.
La recherche collaborative sur les systèmes de stockage d’énergie permettra de limiter les pics de demande énergétique, de réduire les pannes potentielles du réseau et de permettre une électrification plus rentable des bâtiments. En tant que codirecteur du consortium Stor4Build, le NREL soutient la recherche transversale visant à accélérer le développement, la croissance, l’optimisation et le déploiement de technologies de stockage d’énergie rentables qui profitent à toutes les communautés. Les recherches menées sur Stor4Build au NREL comprennent l’étude de nouveaux matériaux et systèmes de stockage d’énergie, qui peuvent s’ajuster au moment où le chauffage ou le refroidissement sont créés, stockés et distribués.
Plus d’information:
Sajith Wijesuriya et al., Améliorer la résilience thermique des maisons résidentielles américaines dans les climats chauds et humides lors d’événements de température extrêmes, Rapports de cellules Sciences physiques (2024). DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.101986
Jordan D. Kocher et al., Analyse de l’échelle des coûts des batteries thermiques : minimiser le coût par kWh, Sciences de l’énergie et de l’environnement (2024). DOI: 10.1039/D3EE03594H
Fourni par le Laboratoire national des énergies renouvelables
Citation: Le stockage de l’énergie thermique et les matériaux à changement de phase pourraient améliorer la sécurité des occupants de la maison lors de conditions météorologiques extrêmes (1er juillet 2024) récupéré le 1er juillet 2024 de
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