Stockage d'énergie en souterrain Thermodynamique des cavités

Institut Mines-Télécom 27/11/2014

Stockage d'énergie en souterrain

Thermodynamique des cavités

Faouzi Hadj-Hassen

Centre de Géosciences – MINES ParisTech

Institut Mines-Télécom

Sommaire

Contexte général du stockage de l'énergie

Les milieux naturels de stockage

Les cavités minées

Les cavités salines

Le stockage d'énergie avec cycles rapides

Le stockage d'air comprimé

Le stockage de CH4, H2, O2 et CO2

Stratégie de recherche

Illustrations

Conclusions - Perspectives

05/11/14 Stockage d'énergie – Thermodynamique des cavités 2


1. Contexte général

Stockage souterrain d'hydrocarbures liquides et gazeux :

technique mature

Dérégulation du marché du gaz : Cycles de plus en plus rapides

Stockage de l'électricité produite par des énergie renouvelables

Air comprimé

Electrolyse et méthanation : H2, O2, CO2 et CH4

Nouveaux modes de stockage : cycles rapides (quotidiens)

Fortes sollicitations des cavités avec une prédominance des

effets thermiques

Nouvelle approche pour optimiser le stockage et garantir sa

sécurité



2. Les milieux naturels de stockage


2.1 Cavités minées dans des roches compétentes

115m

35m 52m

Source GDF

Source Geostock




2.2 Cavités salines

Sel en couche (source GDF) Sel en dôme (source GDF)




2.2 Cavités salines

Source GDF

Création des cavités par dissolution

Technologie maitrisée pour l'exploitation du sel ou pour le stockage d’hydrocarbures


3. Les stockages à cycles rapides


3.1 CAES : Compressed Air Energy Storage

Chaleur de compression perdue Apport d’énergie thermique nécessaire lors de la détente (production de CO2) Rendement électrique faible : ~ 50 %




3.1 CAES : Compressed Air Energy Storage

2 installations commerciales existantes

Huntorf (RFA, 1978, 290 MW) McIntosh (USA, 1991, 110 MW)

Huntorf : 2 cavités salines de 310 000 m3, pression entre 4.8 et 6.6 MPa, 3 h de soutirage

McIntosh : une cavité saline de 560 000 m3, pression entre 4.5 et 7.4 MPa, 26 h de soutirage

Air refroidi pour réduire les contraintes thermiques

Nouveau projet aux USA : CAES de 1,2 GW/50h dans l’Utah (4 cavités salines de 1.2million m3)




3.2 AA-CAES : Advanced Adiabatic – Compressed Air Energy Storage

Stockage de la chaleur de compression dans un régénérateur de chaleur : TES

Stockage pneumatique dans une cavité (Lined Rock Cavern ou cavité saline)

Restitution de l’énergie stockée, sans apport extérieur, donc sans émission de CO2

Rendement : ~ 70 %





LRC 1

Projet SEARCH (ANR) - Stockage en cavités minées (200 MW)

LRC 2

TES-MP

TES-HP

Cavité Pression max (bar)

R int Rext Profondeur Hauteur Volume utile

TES MP 33 bar 9 m 11 m 45 m 50 m 12 000 m3

TES HP 150 bar 10 m 12 m 73 m 45 m 15 000 m3

LRC (x2) 150 bar 18 m 19 m 100 m 74 m 80 000 m3

Cavité Pression max (bar)

R int Rext Profondeur Hauteur Volume utile

TES MP 33 bar 9 m 11 m 45 m 50 m 12 000 m3

TES HP 150 bar 10 m 12 m 73 m 45 m 15 000 m3

LRC (x2) 150 bar 18 m 19 m 100 m 74 m 80 000 m3





Projet ADELE (RWE, RFA) - Stockage en cavités salines et TES aériens




3.3 Stockage de gaz : CH4, H2, O2, CO2

Concept EMO (Electrolysis–Methanation–Oxy-fuel, ANR)

Stockage en cavités salines


4. Stratégie de recherche


Caractériser et modéliser le comportement de la roche hôte et des

fluides stockés

Développement d'essais en laboratoire et modélisation rhéologique

de la roche

Lois d'état de l'air comprimé et des autres gaz (collaboration avec

le CTP)

Mettre en œuvre des approches phénoménologiques permettant

l’optimisation de l’ensemble de l’opération de stockage

Développement d'outils numériques élaborés (1D, 2D, 3D)

Forte collaboration avec les exploitants pou accéder à des mesures in-

situ et valider les développements

Institut Mines-Télécom 05/11/14 Stockage d'énergie – Thermodynamique des cavités 14

4.1 Caractérisation des matériaux et des fluides

Comportement thermomécanique du sel : endommagement, sollicitations cycliques



4.1 Caractérisation des matériaux et des fluides

Développement de modèles pour :

l'air humide (modèles limités à 5 MPa et 473 K) : stockage d'air comprimé

les autres gaz : CH4, H2, O2 et CO2 : Power to Gas

la saumure



4.2 Développement d'outils numériques adaptés

CYSIF : résolution semi-analytique des problèmes thermo-hydro-mécaniques

autour de vides souterrains cylindriques ou sphériques.

VIPLEF : résolution de problèmes thermo-hydro-mécaniques pour des structures à

2 ou 3 dimensions y compris sous des sollicitations dynamiques.

DEMETHER : résolution des problèmes thermodynamiques liés aux stockages

d'énergie dans des cavités souterraines :

• Circulation de fluides dans différents compartiments.

• Couplage entre puits - massif autour puits - cavité - massif autour cavité.




Réseau complexe de cavités

Cavité alimentée par un ou plusieurs puits

Puits pouvant avoir plusieurs compartiments avec

plusieurs fluides

Caractère tridimensionnel (réseau, écoulement

dans le puits et dans la cavité. . . )

Hétérogénéité des formations géologiques

Mobilité 3D de la paroi en mode lessivage

Sollicitations thermomécaniques à la paroi de la

cavité pouvant induire des grandes déformations

Nécessité de lois rhéologiques précises

Très fort contraste entre les dimensions du puits,

de la cavité et du massif (peut constituer un

handicap majeur pour les modèles numériques)

Complexité de la modélisation des échanges

entre la cavité et son environnement

Présence d’insoluble, foisonnement…



5.1 Stockage d'air comprimé en cavités minées

5. Illustrations


5.2 Stockage de gaz en cavités salines

5. Illustrations

Géométrie complexe du problème

Historique d'exploitation des cavités en gaz


5.2 Stockage de gaz en cavités salines

5. Illustrations

Historique Pression-Température

Déviateur de contraintes


6. Conclusions – Perspectives

Autres domaines d'application

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