Stockages thermiques de l'énergie solaire pour les...

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