Matières › 🌡️ BTS FED › BTS › Stockage de froid par accumulation de glace
🥶

Stockage de froid par accumulation de glace

Ballon à glace, chaleur latente de fusion, lissage de la puissance appelée

🏗️ Application chantier : Plutôt que de produire du froid au moment où on en a besoin, on peut le produire à l'avance, la nuit, et le stocker sous forme de glace pour le restituer en journée. Ce principe de stockage par accumulation de glace exploite la chaleur latente de fusion de l'eau — une quantité d'énergie considérable, échangée sans variation de température.
Un groupe froid dimensionné pour couvrir instantanément la pointe de puissance d'un bâtiment (climatisation d'un centre commercial en après-midi, process industriel, patinoire) est souvent surdimensionné pour le reste de la journée. Le stockage de froid par accumulation de glace (ou « ice storage ») permet de découpler la production de froid de sa consommation.

Le principe : la nuit, quand la demande de froid est faible, les tarifs électriques plus avantageux et le groupe froid moins sollicité par la chaleur ambiante, on fait fonctionner le groupe froid pour fabriquer de la glace dans un ballon dédié. En journée, cette glace fond progressivement pour couvrir les pics de demande, en complément ou à la place du groupe froid.

C'est un principe de lissage de la puissance appelée, analogue à celui d'un ballon tampon hydraulique (module B10) — mais ici, l'énergie est stockée sous forme de chaleur latente (changement d'état de l'eau en glace), et non de chaleur sensible (simple variation de température de l'eau liquide).

📖 Vocabulaire clé

Stockage par accumulation de glace : Technique consistant à produire du froid en période creuse (la nuit) pour le stocker sous forme de glace, puis le restituer en période de forte demande (le jour) en laissant cette glace fondre.
Chaleur latente de fusion LfL_f : Quantité d'énergie qu'il faut fournir à 11 kg de glace, à 0 °C0\,°C, pour la faire fondre en eau liquide à 0 °C0\,°C — sans aucune variation de température. Pour l'eau, Lf≈334L_f \approx 334 kJ/kg.
Chaleur sensible (rappel, à ne pas confondre) : Énergie échangée lors d'une variation de température d'un corps, sans changement d'état (par exemple refroidir de l'eau liquide de 20 °C20\,°C à 0 °C0\,°C). C'est un mécanisme distinct de la chaleur latente.
Énergie frigorifique stockée QQ : Quantité de froid disponible dans le stock de glace, liée à la masse de glace fabriquée : Q=m×LfQ = m \times L_f, avec mm la masse de glace (kg) et QQ en kJ (à convertir en kWh si besoin, avec 11 kWh =3 600= 3\,600 kJ).
Lissage de la puissance appelée : Effet recherché du stockage : la puissance électrique demandée au réseau est étalée dans le temps (production concentrée la nuit) plutôt que de suivre instantanément les pics de demande de froid en journée.

📋 Calculer l'énergie frigorifique stockée dans un ballon à glace

  1. 1 Identifier la masse de glace mm produite et stockée dans le ballon (en kg), donnée par le dimensionnement de l'installation.
  2. 2 Retenir la chaleur latente de fusion de l'eau Lf≈334L_f \approx 334 kJ/kg (valeur physique, indépendante de l'installation).
  3. 3 Calculer l'énergie frigorifique stockée Q=m×LfQ = m \times L_f, en kJ.
  4. 4 Convertir en kWh si nécessaire, en divisant par 3 6003\,600 (puisque 11 kWh =3 600= 3\,600 kJ), pour comparer à un besoin exprimé en énergie électrique ou en puissance frigorifique sur une durée.
  5. 5 Comparer QQ au besoin de froid à couvrir pendant la période de restitution (l'après-midi par exemple), pour vérifier que le stock de glace suffit.

✅ Exemple résolu

Énoncé : Un ballon à glace stocke m=800m = 800 kg de glace produite pendant la nuit.

Calculer l'énergie frigorifique disponible pour la journée, en kJ puis en kWh.
Démarche :
  1. Q=m×Lf=800×334=267 200Q = m \times L_f = 800 \times 334 = 267\,200 kJ.
  2. Conversion en kWh : Q=267 200/3 600≈74,2Q = 267\,200 / 3\,600 \approx 74{,}2 kWh.
Réponse : Ce ballon met à disposition environ 74,274{,}2 kWh frigorifiques pour la journée, à restituer progressivement à mesure que la glace fond, sans que sa température ne varie tant qu'il reste de la glace solide.

🌡️ Relations clés

Q=m×LfQ = m \times L_f (énergie frigorifique stockée, en kJ, avec mm en kg et Lf≈334L_f \approx 334 kJ/kg)
QkWh=QkJ/3 600Q_{kWh} = Q_{kJ} / 3\,600 (conversion en kWh)

🎨 Illustration

Effet de lissage d'un stockage de froid par glace
Puissance appelée avec et sans stockage, sur un cycle de 24h

La demande de froid d'un bâtiment varie fortement au cours de la journée, avec un pic en milieu de journée. Un groupe froid associé à un stockage de glace peut fonctionner à puissance quasi constante : il produit un excédent la nuit (chargement du stock de glace) et couvre le déficit de l'après-midi grâce à la fusion de cette glace.

Lissage de la puissance appelee par un stockage de glace sur 24h Graphique puissance frigorifique en fonction du temps sur 24 heures. Une courbe irreguliere represente la demande du batiment, avec un creux la nuit et un pic en milieu de journee. Une ligne horizontale quasi constante represente la puissance produite par le groupe froid associe au stockage de glace : superieure a la demande la nuit (charge du stock de glace), inferieure a la demande au moment du pic (le stock de glace comble l'ecart). 0h 12h 24h Puissance Glace chargée (nuit) Glace restituée (pointe)
  • 1 La courbe irrégulière (en haut/en bas) représente la demande de froid réelle du bâtiment, avec un pic en milieu de journée.
  • 2 La ligne quasi constante représente la puissance du groupe froid : la nuit, elle dépasse la demande — l'excédent charge le stock de glace ; au moment du pic, elle reste en dessous de la demande — le déficit est comblé par la fusion de la glace.
  • 3 Ce lissage permet d'installer un groupe froid de puissance plus modeste que si l'on devait couvrir instantanément le pic de demande.
Ce qu'il faut lire : Compare la position relative des deux courbes : là où la ligne constante est au-dessus de la courbe irrégulière, le stock de glace se charge ; là où elle est en dessous, il se décharge.
Lissage de la puissance frigorifique appelée grâce à un stockage de froid par accumulation de glace.

❌ Une erreur, une suggestion

❌ L'erreur fréquente

Le piège classique est de confondre chaleur latente et chaleur sensible : la formule Q=m×LfQ = m\times L_f ne s'applique qu'au changement d'état de l'eau à 0 °C0\,°C (fusion de la glace).

✅ La suggestion

Pour refroidir de l'eau liquide avant de la congeler, ou pour un stockage d'eau glacée (sans changement d'état, uniquement par variation de température), c'est la chaleur sensible (Q=m×c×ΔθQ = m\times c\times\Delta\theta, cf. module B10) qui s'applique — et l'énergie mise en jeu est alors bien plus faible à masse égale. Ne jamais mélanger les deux formules dans un même calcul.

💡 À retenir

  • Le stockage de froid par glace découple la production (nuit, tarifs avantageux) de la consommation (jour, pics de demande).
  • Il exploite la chaleur latente de fusion de l'eau, Lf≈334L_f \approx 334 kJ/kg, échangée sans variation de température.
  • Énergie frigorifique stockée : Q=m×LfQ = m \times L_f, à convertir en kWh via 11 kWh =3 600=3\,600 kJ.
  • Ce principe assure un lissage de la puissance appelée, analogue à celui d'un ballon tampon hydraulique (module B10) mais pour le froid.
  • Il permet de réduire la puissance installée du groupe froid, dimensionné sur la demande moyenne plutôt que sur la pointe instantanée.

🏗️ Application chantier

Où retrouve-t-on ce principe sur une installation réelle ?
Plutôt que de produire du froid au moment où on en a besoin, on peut le produire à l'avance, la nuit, et le stocker sous forme de glace pour le restituer en journée. Ce principe de stockage par accumulation de glace exploite la chaleur latente de fusion de l'eau — une quantité d'énergie considérable, échangée sans variation de température.

Mots-clés associés : Stockage de froidBallon à glaceIce storageChaleur latenteLissage de puissance
← Systèmes frigorifiques avancés 35 / 54 → Photovoltaïque