Séminaire mi parcours Stock-e 2010

STAID Stockage Inter Saisonnier de l’Énergie

Thermique dans les Bâtiments

Kévyn JOHANNES, Laboratoire CETHIL,

Kevyn.johannes@insa-lyon.fr

Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 2

Coordinateur : CETHIL

Organismes de recherche :

o IRCELYON

o LOCIE

Entreprises :

o EDF

o CETIAT

Projet labélisé par le(s) pôles(s) de compétitivité : TENERDIS, AXELERA

Date de démarrage : 02/02/11 Date de fin : 02/02/14

Budget (M€) Aide (M€) Nombre de personnes.ans

1722 k€ 750k€ 15,5

STAID 2

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Objectifs du projet :

• Développer, optimiser et réaliser le prototype d’un système de stockage de chaleur thermochimique à l’échelle 1:1

3

Puissance ? Energie ? Modèles ? Géométrie ? Matériaux ?

STAID

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Défis scientifiques et techniques : o Comprendre les mécanismes physiques des transferts de chaleur et de masse o Déterminer le matériau optimal au coût idéal et compatible avec l’application o Concevoir et optimiser le réacteur thermochimique o Gérer et réguler de façon optimale le système global

Résultats majeurs escomptés : o Un prototype à l’échelle 1:1 d’un réacteur thermochimique o Des modèles numériques validés de tels réacteurs o Le matériau optimal pour l’application o Publications et brevets sur les connaissances acquises

4 STAID

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Programme de travail et jalons :

5

Taux de Réalisation

100%

100%

10%

5%

20%

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6

Tâche 2 : Etudes préliminaires Définir les besoins de chauffage pour un bâtiment type BBC Définir les puissances maximales appelées Définir la quantité d’eau disponible pour la réaction thermochimique 2 cas d’études bâtiments BBC:

o Maison INCAS 100 m² sur 2 niveaux + panneaux solaires o Maison Mozart 100 m² sur 1 niveau + panneaux solaires

Loi de commande des panneaux solaires Priorité au chauffage

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7

Besoins de chaleur pour la maison INCAS

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8

Densité volumique de stockage : 344 kWh/m3

[200 kWh/m3 - 400 kWh/m3]

Volume de stockage pour la maison INCAS

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9

50 100 150 200 250 300

-50

-40

-30

-20

-10

0

MgSO4.3H

2O(s) MgSO

4.0.3H

2O(s) + 2.7H

2O(g)

MgSO4.6H

2O(s) MgSO

4.3H

2O(s) + 3.0H

2O(g)

Ma

ss lo

ss (

%)

Temperature (oC)

MgSO4.0.3H

2O(s) MgSO

4(s) + 0.3H

2O(g)

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

He

at F

low

(m

W)

41.8%

49.7%

Déshydratation (charge) de MgSO4.6H2O réalisée à partir de la chaleur obtenue par un capteur solaire.

Analyse TG-DSC de MgSO4.6H2O: à la température de 150 °C, 41.8 % perte de masse (H2O). (86 % déshydraté) Chaleur de désorption= 60 kJ/mol de H2O ou 2300 J/géchantillon.

Tâche 3 : Caractérisation et développement des matériaux

Les hydrates de sels o Sulfate de magnésium hexahydraté (MgSO4 .6H2O)

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10

0 50 100 150 200 250

20

40

60

80

100

120

140

160 T

em

pera

ture

(oC)

Temperature (oC)

Mass loss (%)

Heat Flow (mW)

Time (min)

MgCl2.4H

2O(s) MgCl

2.2H

2O(s) + 2H

2O(g)

MgCl2.2H

2O(s) MgCl

2.1H

2O(s) + 1H

2O(g)

46% loss

-50

-40

-30

-20

-10

0

Mass

loss

(%

)

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Heat F

low

(m

W)

MgCl2.6H

2O(s) MgCl

2.4H

2O(s) + 2H

2O(g)

MgCl2.6H20 peut perdre 5 molécules d’eau à 150°C, ce qui correspond à environ 92 %

de déshydratation, et stocker de la chaleur (61 kJ/mol de H2O ou 2731 J/g de

matériau).

Les hydrates de sels o Chlorure de magnésium hexahydraté (MgCl2 .6H2O)

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11

Expérimentation TG-DSC 1. Déshydratation à 150oC (vitesse de chauffage de 2 oC/min, puis plateau de 4h

à 150oC) 2. Hydratation (RH = 50 %, pvapeur 1.3 kPa); Température d’adsorption= 19oC 3. Déshydratation (150oC) 4. Hydratation (19oC) 5. Déshydratation (150oC)

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12

0 100 200 300

50

100

150

Tem

pera

ture

(oC

)

Sample Temperature (oC)

1st Heat Flow (mW)

2nd Heat Flow (mW)

3rd Heat Flow (mW)

-5.5

-5.0

-4.5

-4.0

-3.5

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Heat F

low

(m

W)

0 100 200 300

Time (min)

AB

11 h

Conditions:

Déshydratation à 150 oC, puis hydratation à 19 oC, psat = 2.6 kPa, pvapeur = 1.3 kPa. RH = 50 %

0 200 400 600 800

0

1

2

3

4

5

Ma

ss g

ain

H2

O (

mg

)

Mass gain of H2O (mg)

Heat Flow (mW)

Time (min)

B

A

-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

He

at F

low

(m

W)

Déshydratation (1, 3, 5) Hydratation (2 & 4)

Zeolite 13X (Na-X)

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13

Analyses TG-DSC des Zéolites

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Zeolite 13X Mordenite Zeolite Y (Na) Zeolite Y (H)

He

at o

f H

ydra

tio

n/D

eh

ydra

tio

n (

kJ/m

ol o

f H

2O

)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

He

at o

f H

ydra

tio

n (

J/g

of

mat

eri

al)

Hydration heat (kJ/mol H2O) Dehydration heat (kJ/mol H2O)

Hydration heat (J/g of material)

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Analyses TG-DSC des composites

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Zeolite 13X 13X - 5% MgSO4 13X - 10% MgSO4 13X - 15% MgSO4

He

at o

f H

ydra

tio

n (

J/g

of

mat

eri

al)

He

at o

f H

ydra

tio

n/D

eh

ydra

tio

n (

kJ/m

ol

of

H2

O)

Hydration Heat (kJ/mol H2O) Dehydration Heat (kJ/mol H2O)

Hydration Heat (J/g of material)

Zeolite 13X (Na-X) – MgSO4 (0 – 15wt.%)

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Bille: milieu continu

équivalent

Paquet de billes

Volume élémentaire représentatif

(VER)

Réacteur

Influence de la conductivité thermique, du coefficient de diffusion, de la cinétique de réactionValidation à l’échelle de la bille

Profil de vitesse ? (validité de l’hypothèse écoulement piston par exemple), effet du profil de porosité, pertes de charge?Définition du VER: entrées, sorties, hypothèses simplificatrices

Validation expérimentale sur un module ayant la taille d’un VER

Echanges avec la paroi? Pertes de charge? Dispersion axiale?Validation expérimentale: prototype de réacteur à dimensionner

Tâche 4 : Modélisation et optimisation du réacteur thermochimique Comprendre les mécanismes de transfert de chaleur et de masse dans le

réacteur o Réaliser un modèle simplifié

Méthodologie employée :

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Analyse des transferts de chaleur et de masse à l’échelle de la bille o Conduction négligeable ? (calcul des nombres de Biot thermique et

massique) o Formulation des hypothèses simplificatrices

Etude à l’échelle du paquet de billes o Domaine de simulation

Couche limite fluide déterminée par : D’où la couche limite thermique :

o Indépendance au maillage

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Tâche 5 : Réalisation du prototype et test

Cahier des charges o Température maxi de l’air dans le réacteur : 250°C o Matériau composite identifié pour la première version du réacteur :

zéolithe Na-Y o Besoins ciblés : couvrir les 22j les plus froids /an o Dimensionnement :

Puissance de chauffage maxi : 2,5 kW Volume de Na-Y à prévoir : 280 l

o Structure du réacteur :

Caissettes contenant le matériau assemblable à façon Isolation autour du réacteur et entre caissettes

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Données Climatiques

Capteurs Solaires

Dispositif de Stockage de

Chaleur

Chaleur

Énergie Solaire

Bâtiment & Composants Auxiliaires (Échangeurs,

humidificateurs, etc..)

Chaleur Humidité

Chaleur Humidité

Tâche 6 : Modélisation numérique du système thermochimique intégré au bâtiment

Modélisation de base du système

3 blocs interconnectés : o Les capteurs solaires thermiques capteurs à air sous vide o Le bâtiment et composants auxiliaires (ventilateur, filtres, échangeur…) o Le dispositif de stockage en lui même (réacteur et réservoir)

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Tube sous-vide

Etape 1 : modélisation du capteur solaire o Formulation du problème et des hypothèses o Modélisation dans l’environnement DYMOLA o Validation par comparaison aux résultats expérimentaux

débit = 14.9 ±0.9 kg/(h.m2)

Température à la sortie du 1er tube

Température à la sortie de chaque tube

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Conclusions :

• Cahier des charges réalisé pour le prototype démarrage tâche 5

• D’autres matériaux ont été identifiés comme candidats potentiels

• Verrou à lever sur l’utilisation du MgSO4

• Réalisation du modèle de réacteur débutée ( retard par rapport au planning)

• Modèle global intégré au bâtiment en cours de développement

• Globalement, l’état d’avancement du projet est de 45 %

Retombées et perspectives scientifiques et industrielles :

• Publications (2 ACL, 2 ACTI) …

• Brevet prototype ?

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Merci pour votre attention

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