Post on 14-Sep-2018
1
+/-
"Stockages thermiques de l'énergie solaire
pour les besoins du bâtiment ou de la production d’électricité"
2 Exploitation direct de l’énergie solaire
Biomasse
Agriculture
Production électricité
Thermique basse
température
Thermique Haute température
Introduction
3 Fluctuation de la ressource solaire …
Introduction
4 Adéquation ressource - consommation…
Courbe de charge électrique journalière
Courbe de charge thermique
pour le bâtiment
Introduction
Temps
Pu
issa
nce
0 10
Consommation ECS
Eclairement solaire
Compression d’air Hydraulique (STEP)
Stockage thermique
Hydrogène
Volant d’inertie
Electrochimique
temps
Production
Consommation
5
Introduction
Développement des moyens de stockage adaptés aux usages
Introduction
« Demain l’énergie, paroles de chercheurs » PUG
6
Le stockage thermique l’énergie est un maillon clef du développement
des énergies renouvelables incontournable
Applications 7
Basse température (<120°C)
Moyenne température (120 – 300°C)
Haute température (> 300 °C)
ECS Chauffage et rafraichissement
des bâtiments
Agro-alimentaire
http://www.aitgroup.fr/
Rejets industriels
production de vapeur
Solaire thermodynamique
GEMASOLAR Granada/
Rejets industriels
Introduction
Stockage sensible
Liquide
Solide
Procédés de stockage 8
pQ Mc T
Stockage latent
Stockage thermochimique
Absorption
Adsorption
Thermochimique
p slQ M c T h
AB Q A B
T
Q
Introduction
Procédés de stockage 9
Densité énergétique
du matériaux (kW/m3)
Cout
complexité
Sensible
Latent
Sorption
1 10 100 1000
Thermo
chimique
* Données pour des applications basse température
Maturité
Introduction
10
Aperçu des enjeux sur le stockage thermique au travers de 3 études de
cas :
Stockage sensible de l’énergie solaire pour les centrales
thermodynamiques
Stockage naturelle de l’énergie solaire dans le sous-sol
Stockage intersaisonnier de l’énergie solaire par absorption
Introduction
11
Stockage sensible de
l’énergie solaire pour les
centrales thermodynamiques
Augustin Mouchot : moteur solaire
expo. universelle Paris 1861
12
Stockage de l’énergie pour les centrales thermodynamiques
Des premières pas… aux centrales actuelles
Gemasolar (20 MWe) intégrant 15 H de
stockage thermique
13
Stockage de l’énergie pour les centrales thermodynamiques
Architectures des centrales solaires
14
Stockage de l’énergie pour les centrales thermodynamiques
Niveau de température et rendement
15
Stockage de l’énergie pour les centrales thermodynamiques
Implantation des centrales
Stockage sensible à 2 réservoirs 16
Stockage de l’énergie pour les centrales thermodynamiques
Gemasolar
20 Mwe 8 500T de sels fondus 15 H de stockage thermique
Fluides utilisés :
Sels fondus (à base de nitrates)
Huiles hautes température
17
Objectifs de l’IEA sur les centrels CSP avec stockage : 1000 GW d’ici 2030
Sels fondus :
Besoin de 9 à 21 Mt/an
Production annuelle de nitrate : 0.8 Mt/an (Chili)
…à partager avec les besoins pour l’agriculture
Huiles hautes températures
Pb toxicité
Vieillissement
Recyclage
Stockage de l’énergie pour les centrales thermodynamiques
Nécessité de réduire les
quantités de fluide mis
en œuvre
Stockage sensible à 2 réservoirs
Stockage à 2 réservoirs (sels fondus) :
nombreux retours d’expérience ;
système facile à piloter ;
séparation des fluides chauds et froids.
Source
Charge
Puits Source
Décharge
Puits
Régénérateur fluide/solide (thermocline) :
un seul réservoir ;
remplacement de grandes quantités de fluide par des solides peu coûteux ;
réduction de l’investissement (- 35 % sur la partie stockage) ;
meilleure densité de stockage (+ 45 %).
Stockage de l’énergie pour les centrales thermodynamiques
Stockage sensible à 1 réservoir
19
Stockage de l’énergie pour les centrales thermodynamiques
Stockage sensible à 1 réservoir
ΔP ↘
u ↗
SYSTÈME EXPÉRIMENTAL Fluide : huile thermique ;
Solides : roches (30 mm) + sable (3 mm) ;
H = 3 m ;
D = 1 m ;
Porosité : ε = 0,27 ;
50 °C < T < 300 °C ;
1 < Reentrée < 150 ;
250 thermocouples sur 12 niveaux.
Capacité stockage : 250 kWh
Stockage de l’énergie pour les centrales thermodynamiques
Stockage sensible à 1 réservoir 20
THÈSE DE T. ESENCE (J.F. FOURMIGUÉ, A. BRUCH, B. STUTZ)
∆P
L= A ·
1 − εsable2
εsable2
·μf
Dsable2 ·
usup
εglobal+ B ·
1 − εsableεsable
·ρf
Dsable·
usup
εglobal
2
Vitesse réelle du fluide
Stockage de l’énergie pour les centrales thermodynamiques
Stockage sensible à 1 réservoir
mp
r R
T TMc S
t r
DÉVELOPPEMENT DU GRADIENT THERMIQUE :
Évolution temporelle de la température moyenne des roches
Temps caractéristique de montée en température des roches concassées
2
carcar
Lt
a avec ( ² / )a m s
Cp
3car
V RL
S
diffusivité du milieu (fluide + sable + roche)
Inertie thermique du lit de roche
Impact de l’inertie thermique des roches sur le gradient thermique si
2
2
carcar
L Ut
a R
21
STABILITÉ EN DÉCHARGE
Hauteur adimensionnelle
Te
mp
éra
ture
ad
ime
nsio
nne
lle
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
z*
T*
t*=0
t*=0.24
t*=0.48
t*=0.73
t*=0.97
t*=1.2
t*=1.45
t*=1.7
t*=1.93
Thermal front
t* = u/H
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.0 0.3 0.5 0.8 1.1 1.3 1.6 1.9
t*
E*
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
T*
Discharged energy
T inlet storage
T outlet storage
Te
mp
éra
ture
ad
ime
nsio
nne
lle
Energ
ie a
dim
ensio
nnelle
Energie déchargée
T entrée
T sortie
Épaisseur croissante du gradient thermique ;
Stratification satisfaisante conservée durant la décharge.
Température de sortie stable durant 3 h (ΔT < 10 °C) ;
230 kWhth déchargés ;
Comportement adapté aux impératifs d’une centrale solaire.
Stockage de l’énergie pour les centrales thermodynamiques
Stockage sensible à 1 réservoir 22
RÉGIME ÉTABLI EN CYCLAGE
Hauteur adimensionnelle
Te
mp
éra
ture
ad
ime
nsio
nne
lle
Cycles de charge/décharge successifs en condition identique :
établissement d’un régime périodique ;
profils de fin de charge/décharge stables et répétables au bout d’un certain nombre de cycles.
Les critères de fin de charge/décharge (ΔT*) gouvernent le régime établi :
plus le critère est strict (ΔT* petit), plus le taux d’utilisation du réservoir (aire grisée) est faible ;
plus le critère est strict, plus il faut de cycles avant d’atteindre le régime périodique établi.
ΔT*
ΔT*
ΔT*
ΔT*
Te
mp
éra
ture
ad
ime
nsio
nne
lle
Hauteur adimensionnelle
Stockage de l’énergie pour les centrales thermodynamiques
Stockage sensible à 1 réservoir 23
RÉPÉTABILITÉ ET ROBUSTESSE DU RÉGIME ÉTABLI
Hauteur adimensionnelle
Te
mp
éra
ture
ad
ime
nsio
nne
lle
Hauteur adimensionnelle
Te
mp
éra
ture
ad
ime
nsio
nne
lle
Hauteur adimensionnelle
Te
mp
éra
ture
ad
ime
nsio
nne
lle
Aux pertes thermiques près, le régime établi est répétable :
sur une large gamme de débits ;
sur une large gamme de températures (tant que les propriétés du fluide restent du même ordre de grandeur) ;
malgré l’introduction de perturbations (charges partielles).
→ Système robuste capable de répondre aux aléas de la production solaire.
Stockage de l’énergie pour les centrales thermodynamiques
Stockage sensible à 1 réservoir 24
CONCLUSIONS
Avantages techniques, économiques et écologiques des régénérateurs fluide/solide par rapport aux stockages à 2 réservoirs en sels fondus ;
Les régénérateurs fluide/solide sont des systèmes robustes, contrôlables et prédictibles qui répondent aux impératifs du stockage en centrale solaire.
Matériaux vrac : problème de cric thermique
Mise en place de lits séparés
Développement de céramiques issues de matériaux recyclé empilées (Promes)
Stockage de l’énergie pour les centrales thermodynamiques
Stockage sensible à 1 réservoir
Déchets d’amiante
Torche plasma Matériaux céramique HT
25
26
Stockage de l’énergie solaire
dans le proche sous-sol
27
Stockage de l’énergie solaire dans le proche sous-sol
Les différentes formes de géothermies
En l’absence de sources géothermales, la température du proche sous-
sol (0-200m) est voisine de la température moyenne annuelle
28
12°C
0°C
25°C
t
T
Evolution de la température du proche sous-sol
2
2p
T Tc
t z
Equation de la chaleur (propriétés physiques constantes)
Solution de l’équation en régime harmonique forcé
220
j t zzaaT T Te e
L’épaisseur de pénétration de l’onde thermique dépend de la pulsation Fluctuations journalières Fluctuations annuelles
4pa
40p j cm
7,5p a m
Stockage de l’énergie solaire dans le proche sous-sol
29
12°C
0°C
25°C
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 5 10 15 20 25
Evolution de la température du proche sous-sol
Stockage de l’énergie solaire dans le proche sous-sol
30
Echangeurs horizontaux :
sensibilité à la température
extérieure
Sondes géothermiques :
Température stable mais pb
régénération du stockage Corbeilles géothermiques : bon
compromis
Stockage de l’énergie solaire dans le proche sous-sol
Géothermie très basse température
31 Prise en glace du sol
Stockage de l’énergie solaire dans le proche sous-sol
32
Tomographie électrique du sous-sol Champ de température à
proximité de la corbeille
Stockage de l’énergie solaire dans le proche sous-sol
33 Application au cas d’une maison RT2012 de 100 m²
Tcons : 18°C 3 corbeilles installées
Caractéristiques physiques du sol (sol courant)
Stockage de l’énergie solaire dans le proche sous-sol
Inertie thermique
Energie grise….
Besoins énergétiques
70
53 kWh
/m²/an
34 Application au cas d’une maison BBC de 100 m²
Mode chauffage et rafraichissement
Température du sol le jour le plus
froid
Stockage de l’énergie solaire dans le proche sous-sol
(1 m de l’axe)
35 Comportement du sol – fonctionnement limité au mode chauffage
Stockage de l’énergie solaire dans le proche sous-sol
Déficit thermique au 1ier jour de la
2ième année
Evolution de la température de retour
d’eau sur 10 ans
36 Impact de la nature du sol
Caractéristiques physiques sable sec
cp = 0,85 106 J.m-3.K-1 = 0,5 W .m-1.K-1
Caractéristiques physiques du sol (sol courant)
Stockage de l’énergie solaire dans le proche sous-sol
37 Impact de la puissance de la pompe à chaleur
Stockage de l’énergie solaire dans le proche sous-sol
38 Loi de comportement
Cas 1
H = 2,5 m
R = 1 m
N = 3
Cas 3
H = 3,75 m
R = 1 m
N = 2
Cas 2
H = 2,5 m
R = 1,5 m
N = 2
Les températures de retour d’eau (performances de la PAC) restent quasiment
inchangées tant que le produit NxHxR est conservé
Stockage de l’énergie solaire dans le proche sous-sol
39
Stockage intersaisonnier de
l’énergie solaire par
absorption
0 50 150 100 200 250 300 350 400
Jours de l’année
0 -500
500
-1000
-1500
-2000
1000
1500
Puis
sance (
W)
0 Ensoleillement moyen sur
6,5 m2 de capteur solaire
Besoin chauffage /
rafraichissement maison
RT2012 - 120 m2 Chambéry
Introduction
12°C
0°C
25°C
Stockage intersaisonnier de l’énergie solaire par absorption
40
Comparaison de volumes de stockages intersaisonniers
pQ Mc T
Stockage sensible
Eau
Matériaux solides
Stockage latent
solide - liquide
solide - solide
Stockage thermochimique
ab/ad sorption
chimie-sorption
p slQ M c T h
AB Q A B
V matériaux
maison BBC 120 m²
(2 200 / 1800 kWh)
30 m3
20 m3
10 m3
2 m3
Stockage intersaisonnier de l’énergie solaire par absorption
41
Circuit fermé (6 < p < 30 mbar)
Vapeur
Vapeur
110°C 30 °C
5 °C 35 °C
Désorption Condensation
Absorption Evaporation
Circuit ouvert (p = patm)
Vapeur
Vapeur
110°C
35 °C
Désorption
Adsorption
Systèmes de stockage de chaleur BT à sorption
La génération de vapeur à
basse température constitue
un enjeu des systèmes de
stockage à sorption
Stockage intersaisonnier de l’énergie solaire par absorption
42
E. N’Tsoukpoe et al. (2013)
Stockage thermique B.T. par absorption
Stockage intersaisonnier de l’énergie solaire par absorption
43
44
Réservoir
de
solution
de LiBr
Réservoir
d’eau
Réacteur
Bain
therm.
Pompe
control_
sol Pompe
control_
eau
Bain
therm.
Stockage thermique B.T. par absorption
HUAYLLA ROQUE (2016)
Stockage intersaisonnier de l’énergie solaire par absorption
Transferts de masse et de chaleur
v(x,y)
T(x,y)
Y(x,y)
Solution
ruisselante
Flu
ide c
alo
port
eur
24
24,5
25
25,5
26
26,5
27
27,5
28
Tem
péra
ture
[°C
]
YLiBr entrée solution [%]
Te-fcp Ts-fcp [ m e-sol 50_kg/h ]
Ts-fcp [ m e-sol 100_kg/h ] Ts-fcp [ m e-sol 200_kg/h ]
Ts-fcp [ m e-sol 300_kg/h ] Ts-fcp [ m e-sol 400_kg/h ]
6
4
2
0
-2
Puis
sance [k
W]
Débit optimal pour les transferts
Stockage intersaisonnier de l’énergie solaire par absorption
45
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 200 400 600 800 1000
Am
/At
Re
Débit croissant
Débit décroissant
Désorbeur Condenseur
Transferts de masse et de chaleur
Mouillabilité des parois
Taux de Mouillage des parois
Stutz et al. (2016)
Stockage intersaisonnier de l’énergie solaire par absorption
46
47 Réservoir de stockage
Cristallisation de la solution
dans les réservoirs
Cycle thermodynamique
E. N’Tsoukpoe (2012)
50% 60%
Stockage intersaisonnier de l’énergie solaire par absorption
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
Tau
x c
rist
alli
sati
on [
%]
Mas
se [
kg]
Mois
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
Tau
x c
rist
alli
sati
on [
%]
Mas
se [
kg]
Mois
Total [liquide + cristal]
Liquide
Cristal
LiBr
Taux cristallisation [%]
0,48
0,50
0,52
0,54
0,56
0,58
0,60
0,62
0,64
0,66
0,68
0,70
LiB
r m
ass
conce
ntr
atio
n
Mois
0,48
0,50
0,52
0,54
0,56
0,58
0,60
0,62
0,64
0,66
0,68
0,70
LiB
r m
ass
conce
ntr
atio
n
Mois
Inlet [bas]
Nœud 2
Nœud 5
Nœud 8
Outlet [haut]
Hauteur initiale de solution (liquide) [m] 3.61
Diamètre du réservoir [m] 1,75
Epaisseur d'isolation [cm] 0
Hauteur initiale de solution (liquide) [m] 3.61
Diamètre du réservoir [m] 1,75
Epaisseur d'isolation [cm] 20
Réservoir de stockage
Stockage intersaisonnier de l’énergie solaire par absorption
48
Couples de matériaux
Propriétés
• Pression de vapeur à l’équilibre
• Enthalpie de réaction
• Solubilité
• faible forme hydratée
• Enthalpie de dissolution
• Viscosité
• Dangerosité
• Compatibilité avec les matériaux
• Prix
Couples
• LiBr/ H2O (Pb prix)
• NaOH/H2O (Pb dangerosité)
• CaCl2/H2O (pb performance)
• LiCl/H2O (Pb prix)
• KHCOO/H2O Un bon candidat ?
(Emeline Lefebvre 2015)
Stockage intersaisonnier de l’énergie solaire par absorption
49
Conclusion
Stockage intersaisonnier par absorption
Volume de stockage encore important (R = 1,5 m ; H = 2,5 m)
Verrous scientifiques et techniques
Pb du couple (disponibilité, prix, ….)
Compacité des échangeurs (intensification des transferts)
Gestion de la cristallisation (dissolution)
Avenir des systèmes de stockage par absorption
• Vers un stockage limité (3-4 m3) permettant l’effacement en période de
forte tension énergétique
• Vers des systèmes multifonctionnels : chauffage & rafraichissement
Stockage intersaisonnier de l’énergie solaire par absorption
50
51
Stockage sensible de l’énergie solaire
pour les centrales thermodynamiques
Conclusion
Stockage naturelle de l’énergie
solaire dans le sous-sol
Stockage intersaisonnier de
l’énergie solaire par absorption
densités énergétiques
rendements
(chaleur restituée / chaleur stockée)
densités énergétiques
systèmes durables
(dispo. des matériaux, …)
impacts environnementaux
Puissance disponible
Verrous scientifiques et techniques 52
Matériaux :
Identification et caractérisation de nouveaux matériaux
Vieillissement des matériaux (Quels tests ?)
Corrosion & Propriétés de surfaces (mouillabilité)
Composant
Accroitre la conductivité apparente des matériaux
Stratification - efficacité du stockage
Compacité des réacteurs
Système
Gestion, contrôle (stock, puissance, température)
Optimisation (analyse exergétique)
Prédiction et suivi de l’évolution des performances
Analyse comparative de performance des systèmes
de stockage longues durées
Conclusion
MERCI POUR VOTRE ATTENTION
53