Développement et caractérisation thermique d’un … · d’apprendre beaucoup sur le monde de la ... l’optimisation des performances des centrales de production d ... du projet

Rapport de stage de 5ème année Ecole Polytech’Montpellier

Département Energétique – Energies Renouvelables Promotion 2012

Développement et caractérisation thermique d’un prototype de stockage thermique haute température

couplé à un récepteur de centrale solaire à tour avec intégration de matériaux à changement de phase

David VERDIER-GORCIAS

15 Juin 2012

Entreprise : Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Tuteur entreprise : M. Quentin FALCOZ, enseignant-chercheur, laboratoire PROMES – CNRS.

Tuteur école : M. Quentin FALCOZ, enseignant-chercheur, laboratoire PROMES – CNRS.

Développement d’un stockage thermique pour récepteur solaire de centrale solaire à tour – David Verdier Gorcias

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie Solaire UPR-8521 7, Rue du Four Solaire 66120 Font-Romeu-Odeillo-Via, France, Tél 04 68 30 70 00

p. 2 / 50



p. 3 / 50

Remerciements

Je tiens d’abord à remercier mes encadrants de stage M. Quentin Falcoz et M. Alain Ferrière, les doctorants M. Benjamin Grange et M. David Bellard et l’ensemble du personnel du laboratoire PROMES CNRS, grâce à qui le stage s’est très bien déroulé. Leurs connaissances et leur expérience m’ont permis d’avancer efficacement dans mon travail et d’apprendre beaucoup sur le monde de la recherche scientifique.



p. 4 / 50

Résumé / Abstract

Dans un contexte de besoins énergétiques croissant, l’optimisation des performances des centrales de production d’électricité solaires et en particulier l’optimisation de la centrale hybride à tour solaire/gaz du projet PEGASE est un point clé de la recherche actuelle. Mon étude porte ainsi sur l’intégration d’un système de stockage d’énergie thermique par chaleur latente couplé au récepteur solaire de ce type de centrale pour compenser un manque de flux solaire concentré incident lors de passages nuageux. A partir d’un modèle numérique, un prototype de ce système, à l’échelle laboratoire, est conçu. Sa fabrication, durant l’été 2012, permettra d’expérimenter et de valider le modèle de ce nouveau concept de récepteur/stockeur.

In a context of increasing energy needs, the optimization of performances of concentrated solar power (CSP) plants for production of electricity, particularly performances of the CSP tower hybrid solar/gas of PEGASE project, is a main subject of interests of the actual research. Hence, my study deals with the integration of thermal energy storage (TES) coupled to the receiver of this kind of plant in order to compensate a lack of concentrated solar flux during cloudy passages. Starting from a numerical model, a prototype of this TES is designed at laboratory scale. Its manufacture, during summer 2012, will allow to experiment and validate de the model of this new concept of receiver/storage.



p. 5 / 50

Nomenclature

Abréviations : MCP Matériau à Changement de Phase (PCM en anglais pour « phase change

material ») ; CSP Concentrated Solar Power pour énergie solaire concentrée ; TES Thermal Energy Storage pour stockage d’énergie thermique ; DRX Diffraction par Rayons X ; FT Fiche Technique ; Organismes : CNRS Centre National de la Recherche Scientifique ; PROMES PROcédés Matériaux et Energie Solaire ; CEA Commissariat à l’énergie Atomique et aux Energies Alternatives ; INSIS Institut des Sciences de l’Ingénierie des Systèmes ; UPVD Université de Perpignan Via Domitia ; SOLLAB Alliance of European Laboratories for Research and Technology on Solar

Concentrating Systems ; Projets : PEGASE Production of Electricity with Gas turbine and Solar Energy ; SFERA Projet d’accueil des scientifiques européens sur le site de Font-Romeu ; Symboles : T (K) la température fonction de l’espace et du temps ; S (m²) la surface ; t (s) le temps ; P (W) la puissance (électrique) ; ρ (kg/m3) la masse volumique ; λ (W/m.K) la conductivité thermique ; ε (s. u.) l’émissivité ; σ (W/m².K4) la constante de Stéphan Boltzmann ;

(s. u.) la proportion de MCP par rapport à la quantité totale de matière ; Cp (J/kg.K) la capacité calorifique ; Cpe (J/kg.K) la capacité calorifique équivalente ; L ou Lf (J/kg) la chaleur latente ; h (J/m3) l’enthalpie volumique ; hc (W/m².K) coefficient de convection ; M (g/mol) la masse molaire ; X (mol/m3) la concentration de liquide dans le mélange ; Xtot (mol/m3) la concentration totale de liquide dans le mélange ; fl (s. u.) la fraction de liquide d’un MCP fl = X / Xtot ;

Q (J/m3.s) la chaleur latente mise en jeu lors du changement d’état ;

X (s-1) la cinétique de réaction correspondant à X ; v (mol/m3.s) la vitesse du changement de phase ;

(K-1.s-1) la constante cinétique de la réaction de changement d’état ;

(W/m²) le flux de chaleur imposé dans le TES modélisé ; l et L (m) les dimensions caractéristiques du TES modélisé ; α (m²/s) la diffusivité thermique α = λ / ρ Cp ; e (m) épaisseur de l’isolant ; Δ ce symbole désigne le Laplacien mathématique ;

ce symbole désigne le gradient mathématique.



p. 6 / 50

Sommaire

REMERCIEMENTS ............................................................................................................................................. 3

RESUME / ABSTRACT ........................................................................................................................................ 4

NOMENCLATURE .............................................................................................................................................. 5

SOMMAIRE ...................................................................................................................................................... 6

INTRODUCTION ................................................................................................................................................ 8

1 PRESENTATION GENERALE DU LABORATOIRE ............................................................................................... 9

1.1 HISTORIQUE DE LA CREATION DU LABORATOIRE ........................................................................................................ 9 1.2 ORIENTATION DES RECHERCHES ............................................................................................................................ 9 1.3 L’EQUIPE « RAYONNEMENT ET CENTRALES SOLAIRE » ................................................................................................ 9

2 RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE : SOLAIRE A CONCENTRATION, STOCKAGE DE L’ENERGIE THERMIQUE, CHOIX ET MODELISATION D’UN MATERIAU A CHANGEMENT DE PHASE ........................................................ 10

2.1 LE SOLAIRE A CONCENTRATION............................................................................................................................ 10 2.2 LE STOCKAGE D’ENERGIE THERMIQUE DE PRODUCTION ET DE PROTECTION ................................................................... 11 2.3 LE STOCKAGE THERMIQUE PAR CHALEUR SENSIBLE ET CHALEUR LATENTE...................................................................... 13 2.4 L’UTILISATION DES MATERIAUX A CHANGEMENT DE PHASE ........................................................................................ 14 2.5 LE CHOIX D’UN MATERIAU A CHANGEMENT DE PHASE .............................................................................................. 16 2.6 MODELISATION DU COMPORTEMENT D’UN MATERIAU A CHANGEMENT DE PHASE ......................................................... 17

3 CONTEXTE DE L’ETUDE, ETUDE PRELIMINAIRE DES MATERIAUX ................................................................. 18

3.1 CONTEXTE DE L’ETUDE ET PROJET PEGASE ........................................................................................................... 18 3.2 ETUDE PRELIMINAIRE ET CHOIX DU CARBONATE DE LITHIUM ET DU CUIVRE ................................................................... 19

3.2.1 Etude théorique ................................................................................................................................... 19 3.2.2 Etude expérimentale, matériel et méthode ......................................................................................... 20

4 RESULTATS DE LA CARACTERISATION THERMOCHIMIQUE DES MATERIAUX ............................................... 22

4.1 TEMPERATURE DE FRITTAGE, DE FUSION ET DE SOLIDIFICATION DU LI2CO3 .................................................................. 22 4.2 PERTE DE MASSE ET MASSE VOLUMIQUE DU LI2CO3 ................................................................................................ 24 4.3 COMPORTEMENT DU LI2CO3 VIS-A-VIS DU CU A HAUTE TEMPERATURE ....................................................................... 25

5 CONCEPTION ET FABRICATION DU PROTOTYPE ........................................................................................... 27

5.1 MODELISATION NUMERIQUE PRELIMINAIRE ........................................................................................................... 27 5.2 CAHIER DES CHARGE, BESOINS ET CONTRAINTES DE CONCEPTION, RECYCLAGE EN FIN DE VIE DU PROTOTYPE ....................... 28

5.2.1 Proportion de cuivre et de carbonate de lithium ................................................................................. 29 5.2.2 Choix de l’isolant, calcul de la température de paroi extérieure ......................................................... 30 5.2.3 Réflexion sur le système électrique de chauffe de la sole et de refroidissement par « boîte à eau » .. 32 5.2.4 Fabrication d’une nourrice et l’extraction de vapeur en phase de refroidissement. ........................... 35 5.2.5 Réflexion sur l’emplacement et la disposition du prototype ............................................................... 35 5.2.6 Protocole de mesures expérimentales ................................................................................................. 35

5.3 REALISATION D’UN CANAL ELEMENTAIRE DU PROTOTYPE .......................................................................................... 37 5.4 REPRESENTATION EN TROIS DIMENSIONS DU PROTOTYPE .......................................................................................... 37 5.5 COMMANDE DE MATERIEL ................................................................................................................................. 38 5.6 BUDGET ......................................................................................................................................................... 39

6 PLANNING DE FABRICATION ET D’EXPLOITATION DU PROTOTYPE DE STOCKAGE D’ENERGIE ..................... 40

6.1 FABRICATION .................................................................................................................................................. 40 6.1 EXPERIMENTATION AVEC UTILISATION DE LA PARAFFINE ........................................................................................... 40 6.2 EXPERIMENTATION AVEC UTILISATION DU CARBONATE DE LITHIUM............................................................................. 40

CONCLUSION SCIENTIFIQUE ........................................................................................................................... 41

CONCLUSION DU STAGE DE FIN D’ETUDES D’INGENIEUR ............................................................................... 42



p. 7 / 50

TABLES DES FIGURES ET TABLEAUX ................................................................................................................ 43

BIBLIOGRAPHIE .............................................................................................................................................. 44

SOMMAIRE DES ANNEXES .............................................................................................................................. 45



p. 8 / 50

Introduction

Les besoins en énergie dans le monde connaissent une croissance à laquelle l’énergie fossile seule ne peut répondre [Slocum 2011]. Les énergies renouvelables et en particulier l’énergie solaire concentrée et les centrales de production d’électricité solaire (CSP) à tour font parties des objectifs d’approvisionnement en énergie pour les années futures [Calvet 2010]. A ce sujet, le laboratoire PROMES CNRS, présenté dans la première partie de cet exposé, travaille sur le développement d’un nouveau type de centrale de production d’électricité solaire à tour hybride avec utilisation d’une turbine à gaz : le projet PEGASE. Le récepteur solaire de ce type de centrale est soumis à de très fortes variations de température directement liées aux intermittences de la source solaire et aux passages nuageux. D’où la problématique : comment réduire l’influence néfaste de ces variations de température ?

Une piste de réponse se tient avec la possibilité de stocker facilement l’énergie

thermique provenant du rayonnement solaire concentré sans intermédiaire. C’est en effet un point fort de l’énergie solaire, contrairement à l’énergie éolienne par exemple dont le stockage est difficile et nécessite un intermédiaire de conversion tel un arbre mécanique pour un stockage d’air comprimé ou une batterie électrique. Le stockage thermique est également un axe de recherche incontournable pour le développement et l’optimisation des CSP dans le monde. En effet, malgré le surcoût d’investissement engendré par le stockage d’énergie thermique (Thermal Energy Storage, TES), il permet d’optimiser la ressource solaire en fonction de la demande, de réduire la puissance et le coût des machines électriques, et de réduire le coût du kWh électrique pour concurrencer les autres sources d’énergie [Calvet 2010].

Ainsi, dans le cadre de mon stage de fin d’étude d’ingénieur, je suis amené à

collaborer avec M. Quentin Falcoz et l’équipe « rayonnement et centrales solaire » dirigée par M. Alain Ferrière, pour travailler sur le développement d’un système de stockage d’énergie thermique de protection qui donnera la possibilité à un absorbeur de rayonnement solaire concentré de centrale à tour, de mieux encaisser les fortes variations de température. Dans le cadre d’une démarche ingénieur, et aidé par mes encadrants, je participe activement à la réalisation et aux étapes d’approvisionnement de matériels pour la mise au point d’un prototype de ce système de stockage d’énergie. Ce travail nécessite une recherche bibliographique en amont qui est présentée dans la seconde partie de ce rapport. La troisième partie replace l’étude dans son contexte avant de proposer un modèle numérique du prototype. La caractérisation des matériaux utiles au TES est présentée dans la quatrième partie. Ensuite, les phases de réflexion, conception et d’instrumentation du prototype sont exposées. Enfin, le planning d’expérimentation du prototype est détaillé.



p. 9 / 50

1 Présentation générale du laboratoire

Le laboratoire PROMES, PROcédés, Matériaux et Energie Solaire, est une unité propre (UPR) du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) rattaché à l’Institut des Sciences de l’Ingénierie des Systèmes (INSIS) conventionné avec l’Université de Perpignan Via Domitia (UPVD). Il est présent aujourd’hui sur deux sites, un à Perpignan, et un au Grand Four Solaire d’Odeillo. Dirigé par Gilles Flamant, le laboratoire PROMES compte environ 150 personnes qui travaillent sur la valorisation de l’énergie solaire sur tous les plans.

1.1 Historique de la création du laboratoire

Créé en 1949 sous le nom de « Laboratoire des Ultra Réfractaire » à Mont-Louis (66), le laboratoire étudiait les céramiques à haute température, au delà de 1500 °C, que seule l’énergie solaire fortement concentrée pouvait alors atteindre. Pour cela, le four solaire de Mont-Louis, créé par Félix Trombe, était utilisé. Il a aussi servi de maquette à la construction du Grand Four Solaire d’Odeillo inauguré en 1971. Ce dernier est aujourd’hui l’un des deux sites du laboratoire PROMES CNRS.

1.2 Orientation des recherches

Les recherchent visent principalement au développement des connaissances scientifiques dans le domaine de la conversion et de l’utilisation de l’énergie solaire, en particulier l’énergie solaire concentrée. Pour cela, le laboratoire PROMES est au cœur de projets comme PEGASE (source : www.promes.cnrs.fr), Production d’Electricité par turbine à GAz et Energie Solaire, qui a pour objectif la réhabilitation de la centrale solaire à tour de Thémis, et fait partie de plusieurs organisations européennes telle que SOLLAB avec le projet SOLFACE. Le laboratoire PROMES est structuré en 7 groupes de recherche avec deux principaux axes :

Matériaux et conditions extrêmes ; o Matériaux hautes température et carburants solaires ; o Traitement de surface et matériaux pour application thermomécanique et

photovoltaïques. Conversion, stockage et transport de l’énergie.

o Rayonnement et centrales solaires ; o Thermophysique et écoulements ; o Thermodynamique, énergétique et systèmes réactifs ; o Stockage pour hélioprocédés photochimiques et énergétiques ; o Electronique, Automatique et systèmes.

1.3 L’équipe « rayonnement et centrales solaire »

L’équipe « rayonnement et centrales solaires » dont je fais partie dans le cadre de mon stage, dirigée par M. Alain FERRIERE, étudie la conversion de l’énergie solaire concentrée en chaleur en vue de produire de l’électricité. Les recherches visent à développer les méthodes et moyens en vue de proposer des outils de modélisation et de simulation des systèmes thermiques de conversion de l’énergie solaire concentrée (en particulier les récepteurs solaires) en prenant en compte de façon détaillée les transferts radiatifs. Il est aussi question de valider les concepts à l’échelle du laboratoire et dans certains cas, de développer des démonstrateurs à l’échelle pilote. L’équipe a la responsabilité des expérimentations du projet PEGASE avec le concentrateur à tour de Thémis à Targassonne, 66, France.



p. 10 / 50

2 Recherche bibliographique : solaire à concentration, stockage de l’énergie thermique, choix et modélisation d’un matériau à changement de phase

Une grande partie de mon travail consiste dans un premier temps à m’informer sur l’état actuel des connaissances concernant les méthodes de stockage de l’énergie thermique et la modélisation du comportement des matériaux à changement de phase. Mais avant de s’étendre sur ces deux domaines, il est important de comprendre l’application qui va les utiliser, à savoir les récepteurs de centrales solaires à tour.

2.1 Le solaire à concentration

Cette étude s’intègre dans un domaine en fort développement aujourd’hui : les centrales de production d’électricité à partir d’énergie solaire concentrée (Concentrated Solar Power, CSP). Les besoins en énergie, les diminutions des réserves fossiles, et les problèmes environnementaux générés par les sources conventionnelles favorisent les investissements et la recherche dans l’optimisation des centrales solaires CSP. Celles-ci peuvent être de plusieurs types comme le montre la figure 2.1.1 où les centrales CSP sont classées en fonction de leur type de récepteur.

Récepteur mobile Miroir parabolique

Récepteur fixe Miroir quasi plan

Récepteur longitudinal

a

b

Récepteur point unique

c

d

Figure 2.1.1 : Différents types de centrales CSP, a : Nevada Solar One Cylindro Parabolique,

USA, b : Novatec Linear Fresnel, Espagne, c : Dish Stirling, France, d : Gemasolar, CSP Tour, Espagne

Chaque type de centrale solaire présenté concentre le rayonnement solaire sur un récepteur solaire (ou absorbeur solaire). Dans le cas d’une centrale cylindro-parabolique (a), le rayonnement est concentré sur un tube alors qu’il est concentré sur un point fixe dans un concentrateur Dish-Stirling (c). Dans ces deux exemples, l’ensemble miroir plus récepteur est en mouvement pour suivre le soleil en azimut et hauteur solaire. Dans une centrale Linear-Fresnel (b), le récepteur tubulaire est fixe et les miroirs quasi plans, suivent le soleil en azimut. Enfin dans une centrale à tour (d), le champ d’héliostats (miroir plan mobile) suit



p. 11 / 50

le soleil pour concentrer tout le rayonnement vers un point fixe au sommet de la tour (figure 2.1.2). Le concentrateur type four-solaire, utilisé notamment pour la recherche scientifique, n’est pas présenté ici.

Figure 2.1.2 : Récepteur solaire d’un centrale CSP à tour (GEMASOLAR, Espagne) Le récepteur solaire d’une centrale utilisant l’énergie solaire concentrée est en fait un échangeur de chaleur entre celle produite par le rayonnement solaire concentré et un fluide de transfert. Ce fluide est le plus souvent un sel fondu dans les applications CSP à tour, mais il peut également s’agir d’huile spéciale pour les CSP cylindro-parabolique par exemple ou encore de vapeur pour le Linear-Fresnel. De manière à synthétiser le fonctionnement général, l’ensemble des éléments d’une centrale CSP est schématisé sur la figure 2.1.3.

Figure 2.1.3 : Schéma de principe de fonctionnement d’une centrale CSP Sur cette figure on peut voir des éléments supplémentaires tels que le circulateur, pour permettre au fluide d’atteindre le récepteur, la turbine, qui produit le mouvement mécanique, et le générateur électrique, entraîné par la turbine grâce à un arbre mécanique. Le principal inconvénient de la ressource solaire est son caractère intermittent, mais l’énergie solaire concentrée a en revanche l’avantage de pouvoir être stockée rapidement sous forme de chaleur et sans intermédiaire (aucune nécessité de transformer cette chaleur avant stockage) avec une bonne efficacité, contrairement à l’énergie électrique par exemple.

2.2 Le stockage d’énergie thermique de production et de protection

Le sujet de mon stage s’intitule « Développement et caractérisation d’un prototype de stockage thermique haute température couplé à un récepteur de centrale solaire à tour avec intégration de matériaux à changement de phase ». Derrière ce titre se cache une longue

Circulateur

Récepteur solaire

Turbine

Générateur électrique Réseau

électrique

Fluide chaud

Fluide froid Rayonnement

solaire

Concentrateur optique



p. 12 / 50

réflexion quant au problème de stockage de l’énergie sur un récepteur de centrale solaire à tour. Ce récepteur est en fait un échangeur de chaleur entre le rayonnement concentré du Soleil et un faisceau de tubes dans lesquels passe de l’air pour se réchauffer. L’inertie de l’absorbeur étant faible, à cause d’une conductivité thermique élevée, sa température de surface a tendance à suivre rapidement les variations du flux solaire incident (figure 2.2.1).

Figure 2.2.1 : Différence d’ensoleillement typique journalier entre une journée ensoleillée (a) et une journée nuageuse (b), source http://mic2000.promes.cnrs.fr/

Le Soleil est une source d’énergie inépuisable mais pourtant intermittente par rapport au cycle jour / nuit. Dans l’industrie, un stockage thermique dit de production (supérieur à deux heures de fonctionnement) permet de gérer une partie de ce cycle régulier et parfaitement connu, en récupérant une partie de l’énergie produite la journée pour la restituer lorsque la nuit arrive. Le stockage de production permet également d’adapter la production d’électricité à la demande des consommateurs. En effet les pics de consommations surviennent le matin et le soir tandis que le Soleil offre son meilleur potentiel à midi. Le stockage peut alors décaler le pic de production de quelques heures pour le faire coïncider au moment ou la demande est la plus élevée. A cela se rajoute le caractère intermittent de l’ensoleillement au cours d’une même journée avec le passage imprévisible de nuages (figure 2.2.1 b), il s’agit alors d’un stockage de protection (durée de l’ordre de la dizaine de minutes). Ce dernier facteur entraîne des contraintes mécaniques importantes sur le récepteur du fait des variations de température et provoquent par conséquent une usure prématurée du récepteur qui n’est pas souhaitée (durée de vie moyenne envisagée de 30 ans).

a)

b)

http://mic2000.promes.cnrs.fr/



p. 13 / 50

Ce caractère irrégulier de la température, ajouté à une consommation non constante des usagers du réseau, implique également des contraintes sur le système de production d’électricité couplé à l’absorbeur solaire dans un cycle thermodynamique. Or le groupe électrique turbine plus alternateur donne son meilleur rendement à un régime nominal ; une température constante d’entrée d’air dans la turbine est alors désirée pour un fonctionnement optimal de la turbine. C’est pour cette raison qu’il est important de gérer au mieux la température de sortie de l’air du récepteur solaire pour que celle-ci soit la plus stable possible. Le système de stockage est une solution à cette problématique. L’intégration d’un système de stockage thermique couplé à l’absorbeur solaire donne alors de l’inertie au récepteur et lui permet d’encaisser les variations de température importantes. Cela se traduit par un lissage de la courbe de température du récepteur et de la température du fluide chaud en sortie de récepteur.

2.3 Le stockage thermique par chaleur sensible et chaleur latente

Le stockage de la chaleur, se fait à partir de deux effets principaux : le stockage thermique en chaleur sensible ou en chaleur latente. Le stockage thermochimique n’est pas abordé ici. Le stockage par chaleur sensible consiste à apporter de la chaleur à un matériau sans changement de phase. Ce matériau est caractérisé par sa capacité à emmagasiner cette chaleur par unité de volume. A titre d’exemple, la centrale solaire Andasol en Espagne utilise un système de stockage sensible contenant deux cuves de sels fondus ; la cuve « froide » est à 288°C tandis que la cuve « chaude » est à 565°C. Ce procédé nécessite un volume de 1 700 m3 et 28 000 tonnes de sels pour 110 MWh thermique et 7,5 h de production électrique. Ce type de stockage permet de rapidement stocker ou déstocker la chaleur, on parle alors de stockage puissant. En revanche il n’est pas possible de stocker beaucoup de chaleur par unité de volume. D’où les quantités impressionnantes de matériaux nécessaire à Andasol. Le stockage par chaleur latente consiste à utiliser le point de fusion ou de vaporisation d’un matériau. Il est alors appelé matériau à changement de phase (MCP). Tout l’intérêt de ce principe réside lors du changement d’état du matériau (figure 2.3.1).

Figure 2.3.1 : Schéma de principe des changements de phase de la matière Lors du changement de phase, le MCP emmagasine ou relâche une très grande quantité d’énergie pour un volume relativement faible et sur une gamme de température plus petite qu’en sensible. Pour illustrer le phénomène, on peut faire le calcul suivant : la même quantité d’énergie est nécessaire pour liquéfier 1 kg d’eau (en latent) de -1°C à 1°C que pour chauffer la même quantité d’eau liquide (en sensible) de 1°C à 83°C [Amad 2004]. La puissance,

Energie du système (J)

Solide

Liquide

Gaz

Sublimation

Condensation

Liquéfaction

Condensation

Vaporisation

Solidification



p. 14 / 50

quant à elle, est inférieure à un système sensible et s’explique par la faible conductivité thermique des MCP. Cela signifie qu’il faut plus de temps pour stocker ou déstocker une même quantité d’énergie en latent qu’en sensible. Les choix du type et du dimensionnement du système de stockage résident dans la connaissance des paramètres suivants :

La quantité d’énergie à stocker ;

La gamme de température de stockage déstockage ;

L’espace volumique ou massique disponible ;

Le coût du matériau et de son enveloppe ;

La puissance de restitution de stockage déstockage.

Dans notre cas, le système de stockage de protection doit avoir une forte capacité de stockage sur un volume réduit au minimum car l’espace disponible en face arrière du récepteur est restreint. D’où l’utilisation d’un matériau à changement de phase dont la capacité de stockage par unité de volume est élevée (figure 2.3.2). Le système doit par ailleurs avoir une forte puissance de stockage-déstockage car les intermittences nuageuses sont de l’ordre de la dizaine de minutes. Or un TES composé exclusivement de MCP nécessite plus de temps pour se charger et se décharger. Il est donc question d’utiliser un matériau de type métal conducteur doté d’une forte conductivité thermique pour renforcer l’échange thermique (figure 2.3.2). Figure 2.3.2 : Evolution des performances d’un système de stockage en fonction du taux de

matériau à changement de phase par rapport à la matrice métallique Au final le système de stockage d’énergie est composé essentiellement de MCP intégré à une matrice métallique conductrice permettant d’intensifier le transfert de chaleur avec le récepteur solaire. Cette matrice peut se présenter sous plusieurs formes dans le MCP.

2.4 L’utilisation des matériaux à changement de phase

Une étude de Farid [Farid 2004] liste les principales utilisations des MCP notamment à partir de l’énergie solaire (chauffage ou refroidissement), qu’elles soient pour le bâtiment ou pour la production d’électricité. Parmi l’ensemble des matériaux à changement de phase utilisés dans ces domaines, on trouve les sels hydratés, les paraffines, les acides gras et les composés eutectiques organiques et non-organiques. Un inventaire de plus de 150 MCP est listé par Zabla et al [Zabla 2003].

100% matrice métallique 0% MCP

0% matrice métallique 100% MCP

Conductivité thermique élevée Faible densité énergétique Faible capacité de stockage Stockage puissant

Conductivité thermique faible Densité énergétique élevée

Capacité de stockage élevée Stockage peu puissant



p. 15 / 50

Comme évoqué précédemment les MCP ont une conductivité thermique faible, ce qui induit des niveaux de puissance d’absorption et de restitution de l’énergie thermique faible. Des techniques d’intensification de l’échange thermique ont alors été mises en œuvre afin d’améliorer la conductivité thermique équivalente du système de stockage d’énergie :

D’un point de vue du matériau, Pincemin et al. [Pincemin 2008] proposent l’ajout de graphite à l’échelle microscopique (figure 2.4.1) de façon à changer les propriétés intrinsèques du matériau [Travaux de Py]. D’autres chercheurs évoquent l’idée de disperser des particules de métaux fortement conducteurs dans le MCP.

Figure 2.4.1 : Différents types de graphites testé : (a) graphite naturel en flocons, (b) graphite

naturel expansé, (c) graphite naturel expansé terreux [Pincemin 2008]

D’un point de vue des procédés, des chercheurs ont proposé l’utilisation de tubes fins avec différentes configurations. Une autre méthode évoquée dans la littérature est l’intégration du MCP dans une matrice métallique, méthode utilisée pour notre prototype. Hasse [Hasse 2011] propose par exemple l’utilisation d’une matrice d’aluminium en forme de nid d’abeilles (figure 2.4.2) avec de la paraffine pour le bâtiment. L’utilisation de fines plaques d’aluminium a été développée par Bauer [Bauer 2000].

Figure 2.4.2 : Echantillon d’un panneau d’aluminium en forme de nid d’abeille, rempli par la

suite de paraffine et recouvert d’une plaque d’aluminium [Hasse 2011]



p. 16 / 50

Enfin, avec une approche à la fois procédé et matériau, des chercheurs utilisent des

méthodes d’encapsulation pour favoriser les changements de phase. En effet l’encapsulation permet d’augmenter la surface d’échange entre le fluide et le MCP, qui intensifie alors le transfert de chaleur. Par exemple, Zukowski [Zukowski 2007] utilise de la paraffine encapsulée pour améliorer les performances du traitement de l’air des bâtiments. De la même façon, Oder [Oder 2008] utilise des microcapsules de paraffine pour améliorer les performances de matériaux textiles. Pour des applications aux énergies renouvelables et aux plus hautes températures (de l’ordre de 300 °C) Zhang et al. [Zhang 2010] utilisent de la silice encapsulée.

Figure 2.4.3 : Paraffine encapsulée des films fins de polyéthylène [Zukowski 2007] Parmi l’ensemble des possibilités évoquées pour augmenter la conductivité d’un TES par chaleur latente, nous retiendrons par la suite principalement celle qui consiste à utiliser des plaques fines de métal. Il s’agit en effet de la solution la plus apte à supporter des très hautes températures (autour de 800 °C) et également la plus simple et la moins coûteuse à mettre en œuvre. Un des principaux avantages de cette méthode est l’augmentation de la conductivité thermique dans le module sans diminution significative de la capacité de stockage et une diminution du taux de surfusion des sels. En effet la surfusion d’un MCP est un phénomène gênant pour un TES, qui retarde le changement de phase alors même que le matériau a dépassé son point de solidification. C’est un état métastable, c'est-à-dire qu’une toute petite perturbation provoque sa disparition.

2.5 Le choix d’un matériau à changement de phase

Toujours d’après Farid [Farid 2003], la sélection d’un matériau à changement de phase se fait principalement en fonction de sa température de fusion. Vient ensuite le choix de la géométrie du conteneur qui ne doit pas réagir chimiquement avec le MCP. La quantité de matériaux doit être parfaitement dimensionnée en fonction des besoins de stockage de façon à utiliser correctement le changement de phase et ne pas s’étendre sur la gamme sensible. Enfin le choix d’un MCP doit tenir compte de la toxicité, des facilités de mise en œuvre, et des coûts de la matière première, d’éventuels traitements, et recyclages.



p. 17 / 50

2.6 Modélisation du comportement d’un matériau à changement de phase

Lors d’une étude antérieure à mon arrivée, le comportement d’un système de stockage par chaleur latente utilisant du carbonate de lithium et du cuivre comme matrice conductrice a été modélisé [Abdillahi 2011]. Dans sa modélisation du comportement des MCP, M. Abdillahi propose une innovation, un couplage entre deux équations :

Tout d’abord, l’équation de la chaleur, qui intègre la capacité de stockage du

matériau (𝜌𝐶𝑝𝜕𝑇(𝑥 ,𝑡)

𝜕𝑡), la conduction de la chaleur dans le matériau (𝜆∆ 𝑇(𝑥, 𝑡) ), et

un terme de production ou absorption de chaleur (chaleur produite ou dégagée lors du changement de phase) ;

Et ensuite une équation caractérisant l’évolution du terme source de chaleur

(𝜌𝐿𝜕𝑓𝑙(𝑡)

𝜕𝑡) en fonction de l’avancement d’une réaction de changement d’état. Cet

avancement se traduit par l’évolution de la fraction de liquide dans le mélange. Le couplage consiste donc à considérer ensemble les équations suivantes (utilisées dans la partie 3.3) :

𝜌𝐶𝑝

𝜕𝑇(𝑥 ,𝑡)

𝜕𝑡= 𝜆∆ 𝑇(𝑥, 𝑡) + 𝜌𝐿

𝜕𝑓𝑙(𝑡)

𝜕𝑡𝜕𝑓𝑙(𝑡)

𝜕𝑡= 𝛽 𝑇 𝑡 − 𝑇𝑚 𝑓𝑙(𝑡)

Avec : T(x,t) (K) la température fonction de l’espace et du temps ; Tm (K) la température de fusion (melting) ; t (s) le temps ; ρ (kg/m3) la masse volumique ; λ (W/m.K) la conductivité thermique ; Cp (J/kg.K) la capacité calorifique ; L (J/kg) la chaleur latente ; X (mol/m3) la concentration de liquide dans le mélange ; Xtot (mol/m3) la concentration totale de liquide dans le mélange ; fl (s. u.) la fraction de liquide d’un MCP fl = X / Xtot ;

Δ le Laplacien mathématique ∆ 𝑓(𝑥,𝑦, 𝑧) = 𝜕²𝑓

𝜕𝑥 ²+

𝜕²𝑓

𝜕𝑦 ²+

𝜕²𝑓

𝜕𝑧² ;

[éq 1]



p. 18 / 50

3 Contexte de l’étude, étude préliminaire des matériaux

3.1 Contexte de l’étude et projet PEGASE

Comme il a été précisé à plusieurs reprises dans ce rapport, les besoins en énergie dans le monde croissent tandis que les réservent fossiles s’épuisent et polluent la planète. L’énergie solaire semble alors être une bonne alternative, combinant énergie renouvelable et respect de l’environnement, pour répondre à ces problèmes énergétiques. Nous avons vu également que la ressource solaire est irrégulière et gène une production optimisée d’électricité. C’est pour cette raison qu’Electricité De France (EDF), en partenariat avec le laboratoire PROMES CNRS, s’est lancé dans un projet de production d’électricité à partir d’un cycle combiné solaire / énergie fossile. Ainsi le projet PEGASE (Production d’électricité à partir de gaz et d’énergie solaire) est un projet de réhabilitation de la centrale CSP à tour de Thémis (Targassonne, France, 66) intégrant un cycle à gaz pour un fonctionnement hybride solaire / fossile. Le récepteur solaire du projet PEGASE, composé d’un absorbeur métallique et d’une cavité réceptrice, sera éclairé par un flux moyen de 300 kW/m² et refroidi par de l’air en guise de fluide de transfert avec un débit de l’ordre de 10 kg/s sous 6 à 10 bars. Ce récepteur fournira à l’air une élévation de température de 400 °C, de 350 à 750 °C. Le rendement de conversion rayonnement / chaleur visé est de 80 %. L’air chauffé servira ensuite à faire tourner une turbine qui entraînera un alternateur pour générer de l’électricité revendue sur le réseau électrique. Le contexte de l’étude est de concevoir un prototype de stockage à l’échelle laboratoire, couplé au récepteur solaire, afin de compenser la perte de flux solaire concentré incident (par passage nuageux) pendant 15 minutes. La figure 3.1.1, dont les courbes schématisent les tendances souhaitées, illustre cette perte de flux solaire au temps t = 0. Le récepteur n’est alors plus irradié et voit sa température diminuer.

Figure 3.1.1 : Evolution souhaitée de la température de l’air en sortie du récepteur lors de l’absence de flux solaire (Données sources : Travaux thèse B. Grange, PROMES CNRS)

L’air en sortie de récepteur doit être à la température de 750 °C en conditions normales de fonctionnement de la centrale. Le stockage doit être dimensionné afin de stocker l’énergie suffisante (zone rayée en vert) pour chauffer l’air de sorte que sa température ne descende pas en dessous de 600 °C au bout des 15 minutes. En effet, sans le système de stockage, le récepteur voit sa température descendre à 320 °C en 8 minutes et 30 secondes (courbe orange). Pour réaliser ce TES, l’utilisation d’un matériau dont le changement de phase s’effectue dans la gamme 600 – 750°C est envisagée.

consigne 750

Température air sortie récepteur (°C)

320

consigne 600

0 8,5 15 Temps (min)

Avec stockage

Sans stockage

Energie à fournir



p. 19 / 50

3.2 Etude préliminaire et choix du carbonate de lithium et du cuivre

Plusieurs matériaux à changement de phase se sont avérés intéressants pour stocker l’énergie dans la gamme 600 – 750 °C, il s’agit pour la plupart de carbonates, de nitrates ou de mélange des deux. Finalement le Li2CO3 (carbonate de lithium), qui change de phase à 723 °C, a été retenu avec le cuivre comme métal conducteur pour l’élaboration du TES.

3.2.1 Etude théorique

Des premières études théoriques utilisant des logiciels d’équilibres thermochimiques comme GEMINI® ou HSC® sont exploités pour vérifier la compatibilité du cuivre et du carbonate de lithium (figure 3.2.1) avec et sans présence d’air. En effet, l’air peut s’avérer être un catalyseur (accélérateur) de réactions chimiques.

Figure 3.2.1.1 : équilibre thermochimique Cu / Li2CO3 sans présence d’air (a), et avec présence d’air (b), logiciel HSC

Le premier graphe a été tracé à partir des paramètres d’entrée suivants : Li2CO3 70 %wt, Cu 30 %wt. Le second graphe intègre la présence d’air. Toutes les espèces chimiques sont en proportion égale (Cu, Li2CO3, O2, N2). Dans chaque cas, aucune réaction chimique majeure entre le Cu et le Li2CO3 n’est observée, bien que le cuivre soit présent, dès 20 °C, sous deux formes différentes (Cu et Cu FCC sans présence d’air et CuO et CuO T avec présence d’air). En présence d’air, le cuivre a tendance à s’oxyder en CuO. A partir de 700 °C, on observe la production de traces de dioxyde de carbone (CO2), d’oxydes de lithium (Li2O) et d’oxydes de carbone sous la forme Cu2O.

a)

b)



p. 20 / 50

On peut donc conclure sur cette première étude théorique que le cuivre et le carbonate de lithium sont compatible pour la mise en œuvre d’un TES. Dans ce système, la présence d’air sera en très faible quantité. Les réactions chimiques seront quasi indécelables.

3.2.2 Etude expérimentale, matériel et méthode

Une vérification par l’expérience est cependant nécessaire pour certifier ces hypothèses. Ainsi la compatibilité chimique de ces matériaux est testée dans un four électrique de laboratoire Nabertherm® avec un régulateur P330, dont la puissance permet de chauffer jusqu’à 1200 °C (voir FT en Annexe 1). Le principal avantage de son programmateur intégré est sa faculté d’enregistrement d’une série de cycles de température (jusqu’à neuf, figure 3.2.2.1).

Figure 3.2.2.1 : Exemple de consigne enregistrable sur le programmateur P330 Ainsi il est possible de programmer des vitesses de montée en température et des paliers de température constante à la minute et au degré près. Seules les phases de refroidissement ne peuvent être contrôlées. Le four, placé sous une hotte de traitement d’air, est équipé d’une cheminée permettant le dégazage d’éventuelles vapeurs toxiques mais aussi le passage des thermocouples ou autres instruments de mesure. Sa capacité volumique maximale représente un cube d’environ 18 cm de côté ce qui limite la taille des échantillons.

Figure 3.2.2.2 : Intérieur du four Nabertherm (a) et programmateur P330 (b) Le four étant neuf, des premières chauffes à vide ont été effectuées pour le faire dégazer. L’occasion par ailleurs de mesurer avec un thermocouple la température de l’air dans le four et de la comparer avec la température affichée par le programmateur du four. On note ainsi un écart maximal de 10 °C entre les deux températures, le thermocouple plongé dans l’air ayant tendance à afficher une température plus élevée que celle du four. La capacité de chauffe maximale constatée est de 20 °C par minutes.

Montée en température maximale

800

600

80

Montée en température contrôlée

Palier de température contrôlé

Refroidissement non-contrôlé

T (°C)

t (min)

a) b)



p. 21 / 50

Par la suite, des creusets ont été utilisés afin d’expérimenter le Li2CO3. Plusieurs types de creusets ont étés testés (porcelaine, alumine, alumine fritté, cuivre). Finalement seul un creuset en cuivre est suffisamment résistant avec le temps pour contenir le Li2CO3. Les autres creusets se sont soit fissurés après plusieurs montées en températures (Porcelaine, Alumine fritté), soit ont absorbé le matériau dans leurs pores (Alumine).

Figure 3.2.2.3 : Types de creusets utilisés. a) creuset en porcelaine et creuset en alumine, b)

creuset en alumine fritté, c) creuset en cuivre, d) creuset en porcelaine fissuré Pour avoir des informations sur l’évolution de la température et de la masse, une balance de précision et des thermocouples reliés à un Graphtec® (instrument d’acquisition numérique, figure 3.2.2.4) ont été utilisés.

Figure 3.2.2.4 : Instrument d’acquisition numérique Graphtec® à 10 voies Dans un premier temps, le carbonate de lithium seul est soumis à des mesures expérimentales, pour vérifier ses propriétés thermochimiques (température de fusion et masse volumique), puis il est mis en contact avec le cuivre afin de vérifier la compatibilité thermochimique des deux espèces. L’ensemble de ces expériences ne nécessite aucun dispositif de sécurité particulier si ce n’est une mise en garde par rapport aux hautes températures et aux brûlures, et veiller à ne pas dépasser 1080 °C, température à laquelle le cuivre fond.

a) b)

c) d)



p. 22 / 50

4 Résultats de la caractérisation thermochimique des matériaux

Bien que les résultats théoriques issus des logiciels d’équilibres thermochimiques confortent l’idée de l’utilisation du carbonate de lithium pour le stockage thermique, le composé provenant de fournisseurs industriels (Annexe 2) doit être testé et vérifié. En effet des éventuelles traces de polluants à l’intérieur de la poudre d’origine (état initial du Li2CO3) pourraient fausser les mesures expérimentales. Il est donc important de connaître les propriétés du carbonate de lithium acheté pour éviter les surprises.

4.1 Température de frittage, de fusion et de solidification du Li2CO3

Une des premières caractéristiques soumise à l’expérimentation concerne les températures de changement d’état du carbonate de lithium (Li2CO3). Sa température de fusion est référencée à 723 °C à pression atmosphérique, d’après les fiches internationales de sécurité chimique et une étude de Janz [Janz 1961]. C’est à partir du creuset en alumine fritté que les meilleures courbes de fusion et solidification ont été obtenues, mais celui-ci présentant un risque de rupture, un creuset en cuivre est principalement utilisé. La seule remarque par rapport à l’utilisation de ce creuset en cuivre est la formation d’oxyde de cuivre en surface au contact de l’air à partir de 500 °C. Cette couche a tendance par la suite à s’écailler et à polluer le contenu du creuset. Les thermocouples, généralement disposés en proche paroi (mais qui peuvent se déplacer lorsque le matériau est en phase liquide), sont immergés dans plusieurs centimètres de carbonate de lithium. Grâce au Graphtec® (acquisition numérique), on obtient alors une évolution de la température du Li2CO3 comme le montre la figure 4.2.1.

Figure 4.1.1 : Résultat d’un début de cyclage de température avec un creuset en alumine fritté avant rupture



p. 23 / 50

La figure 4.1.1 présente le début d’un cyclage de température sur le carbonate de lithium avec une première chauffe à 80 °C, qui correspond à une mise sous étuve pour dégazer la vapeur d’eau, puis une élévation à 800 °C suivi de cycles entre 600 et 800 °C. Seul un cycle est présent sur la figure car le creuset s’est fissuré entrainant une coupure électrique du four. Plusieurs mesures expérimentales des températures de fusion et de solidification on été effectuées. Les résultats sont présentés dans le tableau suivant :

Type de creuset Porcelaine Alumine Porcelaine Alumine Porcelaine

Température de fusion (°C)

722 - 730 726 - 731 714 - 724 716 - 726 751 - 759

Temps de fusion (min sec)

3'12'' 3'00'' 5'42'' 5'42'' 3'33''

Vitesse de chauffe (°C/min)

13.2 13.2 13.9 14.9 15.3

Température de solidification (°C)

698 - 701 703 725 - 722

Temps de solidification (min sec)

2'51'' - 1'00'' 1'00'' 9'

Vitesse de refroidissement (°C/min)

-4.3 - -4.5 -3.5 -3.2

Date 28/02/2012 01/03/2012 06/03/2012

Note Expérience 1, un

premier cycle effectué, chauffage rapide

Expérience 1, un deuxième cycle

effectué, chauffage rapide

Présence d'une pièce de cuivre

Type de creuset Porcelaine Porcelaine Cuivre Alumine Alumine

Température de fusion (°C)

748 - 753 725 - 727 716 - 754 726 - 749 732 - 740

Temps de fusion (min sec)

3'33'' 3'30'' 3'30'' 11'40'' 8'45''

Vitesse de chauffe (°C/min)

15.3 3.2 4.61 4.61 4.61

Température de solidification (°C)

723 - 719 723 - 718 718 -721 -

680 718 - 725 -

689 722 - 727 -

700

Temps de solidification (min sec)

5' 11'40'' 22'00'' 22'00'' 22'00''

Vitesse de refroidissement (°C/min)

-3.2 -3.3 -3.7 -3.7 -3.7

Date 06/03/2012 07/03/2012 21/03/2012 21/03/2012 21/03/2012

Note

Présence d'une

pièce de cuivre,

chauffage rapide

Présence d'une

pièce de cuivre,

chauffage lent

chauffage lent

thermocouple positionné au

centre du creuset

thermocouple positionné à la paroi du

creuset

Figure 4.1.2 : Tableau des mesures expérimentales des températures de fusion et

solidification du carbonate de lithium



p. 24 / 50

A partir de ce tableau, on peut conclure que la température de fusion varie entre 716 et 754°C en fonction de la vitesse de chauffe, de la position du thermocouple dans le creuset (axialement et radialement), et de la nature du creuset. La liquéfaction s’effectue en général sur une gamme de température de l’ordre de 10 °C et dure environ de 3 à 10 minutes en fonction des mêmes critères. En ce qui concerne la solidification, l’expérience montre qu’elle s’effectue fréquemment avec une élévation de température de 7 °C autour de 725 °C (figure 4.1.1 et 4.1.2). La durée de solidification est plus longue, entre 10 et 20 minutes, et elle s’effectue sur une gamme de température plus large, de quelques degrés à parfois plus de 30 °C. Un résultat annexe est apparu lors de la montée en température du Li2CO3 dans le creuset en cuivre. Entre 500 et 700 °C le matériau se fritte, c'est-à-dire que la poudre présente au départ forme des liaisons et s’agglutine pour former un volume solide dont la porosité a nettement diminuée (figure 4.1.3).

Figure 4.1.3 : Carbonate de lithium au départ (a) et fritté (b) entre 500 et 700 °C dans un creuset en cuivre oxydé

4.2 Perte de masse et masse volumique du Li2CO3

Un deuxième facteur à juger est l’évolution de la masse et de la masse volumique du carbonate de lithium qui est tabulée à 2,11 g/cm3 en phase liquide. La perte de masse est identifiée grâce à une balance précise au dixième ou au centième de gramme. La masse du creuset est pesée à vide. Ensuite, le creuset est rempli de carbonate de lithium. La masse est alors mesurée avant et après la fusion du MCP. Après trois mesures, on obtient le tableau de mesures suivant :

Masse Li2CO3 avant fusion (g) 8.4 8.85 8.85

Masse Li2CO3 après fusion (g) 7.9 8.21 8.28

Perte de masse -6.0% -7.2% -6.4%

Figure 4.2.1 : Tableau des mesures expérimentales de perte de masse du Li2CO3

On peut conclure d’après la figure 4.3.1 que le carbonate de lithium perd environ 6 % de sa masse lors de la première fusion. Lorsqu’on fait fondre le MCP plusieurs fois de suite, aucune perte de masse n’est constatée.

a) b)



p. 25 / 50

Pour mesurer la masse volumique expérimentalement, le volume du creuset, de forme évasée, est déterminé avec une précision suffisante en utilisant de l’eau et des fioles jaugées. Il est ensuite rempli au maximum, par tassement avec un pilon, de carbonate de lithium phase solide, dont l’aspect est farineux. L’ensemble du creuset et de son contenu est porté à 800 °C pour forcer le passage en phase liquide du Li2CO3. Un volume vacant subsiste alors au-dessus du matériau. Celui-ci est mesuré par le même procédé que précédemment, en effet le carbonate de lithium est quasi insoluble dans l’eau. Par différence, on obtient le volume du carbonate de lithium en phase liquide en supposant qu’il n’a pas « gonflé » lors de sa solidification (ce que fait la glace par exemple). Le résultat de la mesure est présenté dans le tableau suivant :

Avant fusion Après fusion Perte

Volume (mL) 96 35 -64%

Masse (g) 75.4 71.9 -5%

Masse volumique (kg/m3) 785.4 2054.3 162%

Figure 4.2.2 : Tableau de la mesure expérimentale de la masse volumique

Au final, la masse volumique est mesurée avec une erreur de 2,8 % par rapport à la valeur théorique de 2,11 kg/m3. Compte tenue des erreurs de mesures, on peut conclure que le carbonate de lithium acheté est conforme aux valeurs tabulées.

4.3 Comportement du Li2CO3 vis-à-vis du Cu à haute température

Les références de composition du cuivre utilisées dans les expériences apparaissent dans l’annexe 3.

Cette partie est déterminante pour la suite du projet. En effet, le module de stockage en conception repose entièrement sur la compatibilité chimique du carbonate de lithium face au cuivre à haute température (600 – 800 °C). Même si cela a été démontré théoriquement, la mise en présence de ces deux matériaux permet de valider la théorie. Pour vérifier ce phénomène, des pièces de cuivre, 25 mm de diamètre et 3 mm d’épaisseur, sont placées dans un creuset contenant du Li2CO3 porté à haute température (figure 4.3.1), puis soumises à analyses DRX (Diffraction de Rayons X, figure 4.3.2) ainsi que l’ont fait Guillot et al [Guillot 2011] dans une étude sur la corrosion des métaux par rapport aux sels fondus pour les applications solaire concentré (CSP).

Figure 4.3.1 : Disposition de la pièce en cuivre dans un creuset au contact de Li2CO3 (a), et pièce de cuivre après chauffage à 800 °C (b)

a) b)



p. 26 / 50

La pièce de cuivre est totalement immergée dans le carbonate de lithium et porté à 800 °C pendant 30 minutes. Elle est ensuite extraite avec soin pour ne pas endommager l’état de surface initial (lisse) et nécessaire à une analyse DRX de qualité. A première vue, la pièce ne semble pas avoir été grandement affectée par le carbonate de lithium. Il semble qu’elle présente une couche d’oxydation puisque sa couleur en surface a changée. L’analyse DRX, à partir du logiciel HighScore Plus®, permet de qualifier et de quantifier les espèces chimiques présentes ou formées par identifications de pics d’intensités sur les diffractogrammes (graphes obtenus après avoir soumis l’échantillon aux rayons X, figure 4.3.2).

Figure 4.3.2 : Résultat DRX de la pièce de cuivre avant (courbe bleue) et après (courbe

verte) chauffage à 800 °C Le diffractogramme présenté ci-dessus présente trois courbes décalées volontairement pour plus de lisibilités (l’échelle en ordonnée importe peu pour l’identification des pics). La courbe bleue représente la pièce de cuivre à l’état initial ; il s’agit de la courbe de référence. La courbe verte représente la même pièce de cuivre insérée dans le creuset rempli de carbonate de lithium et porté à 800 °C. Enfin la courbe rouge représente le diffractogramme des copeaux de la paroi du creuset en cuivre. La courbe verte vient confirmer que la pièce de cuivre insérée dans le creuset est bien du cuivre. En effet la courbe verte présente la majeure partie des pics de la pièce de cuivre de référence (courbe bleue). On note également des pics d’oxydes de cuivre sous deux formes : CuO et Cu2O. Globalement la pièce de cuivre reste intacte, sa couche d’oxyde de cuivre la protège d’une éventuelle corrosion plus importante. La courbe rouge est la diffraction de rayons X de la paroi du creuset en cuivre. On constate que toute la paroi du creuset s’est oxydée soit en CuO (12 %) soit en Cu2O (88 %). Conclusion des résultats expérimentaux : L’ensemble de cette partie permet de conclure que le carbonate de lithium du commerce est conforme du point de vue de ces propriétés thermochimiques (en particulier : température de fusion autour de 723 °C et masse volumique de 2,11 kg/m3). Il est propice à l’utilisation dans le système de stockage composé d’une matrice de cuivre. Il faudra cependant veiller à ne pas trop polluer le carbonate de lithium avec des copeaux de cuivre oxydés durant les phases de refroidissement.



p. 27 / 50

5 Conception et fabrication du prototype

Les deux parties précédentes valident l’utilisation combinée du carbonate de lithium et du cuivre pour concevoir le système de stockage d’énergie thermique (TES). La réflexion globale détaillée ici sur la conception du prototype de stockage thermique est l’aboutissement de nombreuses réunions et discussions entre l’équipe, au sein du laboratoire, et avec les fournisseurs de matériaux et matériels. Après une synthèse sur le modèle numérique réalisé par une étude antérieure à mon stage, un rappel du cahier des charges ainsi que les réflexions et les choix de conception des différents éléments composant le prototype sont présentés.

5.1 Modélisation numérique préliminaire

L’étude de compatibilité thermochimique conforte l’idée de la compatibilité entre le cuivre et le carbonate de lithium pour le système de stockage d’énergie. C’est sur cette base qu’une modélisation numérique du TES est mise en place. Ainsi M. Abdillahi a modélisé le système sous COMSOL®, sous la forme d’un cube de cuivre de 1 mètre de côté percé de barreaux de carbonate de lithium dans une matrice de cuivre (figure 5.1.1). Les équations utilisées pour ce modèle tiennent compte des transferts de chaleur par conduction dans le cuivre, mais aussi du changement de phase dans les tubes de MCP (éq. 1, partie 2.6 page 16).

Figure 5.1.1 : Modélisation du TES sous COMSOL® et conditions limites vu en trois

dimensions (a) et en coupe (b) [Abdillahi 2011] Le modèle présenté sur la figure 5.1.1 est isolé sur ces parois latérales, un flux de chaleur orienté lui est imposé entre ses surfaces haute et basse, avec un gradient de température de 200 °C. Le logiciel calcule alors la répartition de la chaleur dans le module, et donne la valeur du flux de chaleur global entre les surfaces haute et basse. M. Abdillahi s’est par la suite attaché à estimer la meilleure configuration pour le TES grâce à une étude paramétrique. Il a notamment étudié l’influence des critères suivants :

Le taux de MCP par rapport à la matrice de cuivre ;

Le diamètre des tubes de MCP ;

Le nombre de tubes sur la hauteur ;

Le nombre de tubes sur la largeur ;

La taille des espaces entre deux tubes ;

La disposition longitudinale ou en quinconce des tubes.

a) b)



p. 28 / 50

Pour juger et comparer les différentes géométries entre elles, la conductivité thermique équivalente, indépendante de la dimension du TES, est utilisée (équation 2).

).(

.

bashaut

eqTTl

e

Cette relation tient compte du transfert de chaleur (Ф en W/m) à travers le TES. La variable l (m) désigne la largeur de la surface sur laquelle s’applique le flux, tandis que e (m) désigne la distance entre les surfaces haute et basse. Meilleure est la conductivité thermique équivalente, meilleure est la configuration testée du point de vue de la puissance de restitution.

Figure 5.1.2 : Exemple de la meilleure géométrie du TES avec 30 % de MCP des tubes de MCP collés les uns sous les autres [Abdillahi 2011]

Cette étude paramétrique conclue que la meilleure géométrie est celle contenant 60 % en masse de MCP dans des tubes collés les uns sous les autres (16 lignes et 13 colonnes). Techniquement, pour une réalisation plus simple du système, cela revient à fabriquer un module contenant des plaques de cuivre, ou ailettes, interposées entre des espaces de carbonate de lithium.

5.2 Cahier des charge, besoins et contraintes de conception, recyclage en fin de vie du prototype

Afin d’expérimenter correctement le système de stockage il est nécessaire de n’avoir aucun doute sur la stabilité de la source chauffante. C’est en effet elle qui permettra de réguler l’apport d’énergie du système de stockage. Il a donc été choisi d’opter pour une source électrique plutôt que de directement tester le module avec l’énergie solaire (imprévisible sur le long terme) et qui ne permettrait d’ailleurs pas de faire des expériences de plusieurs dizaines d’heures. Le schéma de la figure 5.2.1 montre les principaux éléments constitutifs du prototype.

[éq 2]



p. 29 / 50

Figure 5.2.1 : Schéma de principe des besoins pour le système de stockage L’armoire électrique assure la liaison entre la source électrique triphasée du réseau électrique et l’apport d’électricité aux cartouches chauffantes du prototype. Elle assure aussi la régulation thermique par l’intermédiaire de thermocouples implantés dans la sole chauffante. L’alimentation électrique doit permettre de porter la sole de 20 à 800 °C en quelques heures. Pour cela, le système de stockage doit être correctement isolé de façon à limiter les pertes thermiques et également d’un point de vue sécurité (prévention des brûlures). La « boîte à eau » permet de faire circuler un fluide froid (en général de l’eau), afin de forcer le refroidissement du système. Enfin le système de stockage, pour répondre au modèle numérique est composé d’une matrice de cuivre en forme d’ailettes. C’est dans les espaces entre-ailettes que vient se placer le carbonate de lithium. La taille du système complet doit pouvoir être transporté et instrumenté de façon raisonnable. Ainsi la taille du système enveloppé de son isolation ne doit pas dépasser 1 m3 et 200 kg. Il faut prévoir une alimentation électrique conséquente, une alimentation d’eau et une extraction de vapeur. Enfin, les problèmes environnementaux actuels incitent à prévoir le recyclage des éléments constitutifs du prototype. Le démontage du prototype ne devrait pas poser de problème en fin de vie. Les matériaux isolants seront recyclés par le fournisseur. Le cuivre, une fois nettoyé du carbonate de lithium pourra être fondu pour être réutilisé dans d’autres applications ne nécessitant pas une pureté absolue du cuivre. Le Li2CO3, non toxique, sera récupéré dans des bacs spéciaux en vue d’un recyclage par des entreprises spécialisées. Enfin les éléments externes comme les supports, coffret électriques etc… pourront être réutilisés, s’ils sont encore en bon état, pour d’autres expériences au laboratoire.

5.2.1 Proportion de cuivre et de carbonate de lithium

La première question de conception concerne la quantité de matière à utiliser pour réaliser le prototype à l’échelle labo. C’est à partir de l’étude du stagiaire M. Abdillahi et des travaux de D. Bellard, doctorant au laboratoire PROMES, et en partenariat avec le CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives) de Grenoble que la décision a été prise de

Boîte à eau

Sole à chauffer

Système de stockage d’énergie Li2CO3 / Cu

Isolation

Armoire électrique

XX °C Afficheur

Régulateur

Thermocouple pour la régulation

Cartouches chauffantes

Connexions électriques

EDF triphasé



p. 30 / 50

concevoir un prototype à l’échelle laboratoire (environ 1/10e) contenant 4 ailettes en cuivre, et donc trois compartiments de Li2CO3. L’étude de M. Abdillahi conclue que le TES est optimisé pour 60 % de MCP dans le module, mais souhaitant avoir surtout une grosse capacité de stockage, le choix de la quantité de MCP par rapport à la matrice métallique s’est porté à 70 % en accord avec le CEA.

Figure 5.2.1.1 : Dimensions principales en mm du prototype de stockage à nu Pour respecter un taux de 70 % en masse de MCP par rapport au métal conducteur, la dimension des ailettes est de 8 mm (standard de fabrication) tandis que celle des compartiments mesure 76 mm. Le prototype mesure donc 260 mm de large pour une profondeur décidée de 200 mm et une hauteur de 390 mm (figure 5.2.1.1). D’un point de vue expérimental, seul le compartiment central, représentatif du système de stockage est instrumenté et soumis à étude.

5.2.2 Choix de l’isolant, calcul de la température de paroi extérieure

L’isolation du prototype est un point important, elle permet de protéger les personnes autour du prototype de la chaleur dégagée par le système et de limiter les pertes thermiques. La puissance de chauffe peut donc être diminuée et la facture de l’élément chauffant et des installations d’alimentation électrique est réduite. Le raisonnement consiste donc à effectuer un bilan thermique connaissant la température de paroi du système, la température souhaitée sur la paroi extérieure de l’isolant (de façon à ne pas se brûler), la température ambiante, et enfin la conductivité thermique et l’épaisseur de l’isolant. Des recherches préliminaires nous ont permis de sélectionner plusieurs isolants dont les principales propriétés sont dans le tableau suivant :

200

260

390

76

8 Ailettes Cu et compartiments de MCP

Sole chauffante



p. 31 / 50

Isolant MAFTEC Blanket® Microtherm Super G® Superwool 607®

Conductivité thermique (W/m.K) à :

100 °C - 0,0221 -

200 °C - 0,0222 0,06

300 °C - 0,023 0,07

400 °C 0,08 0,0244 0,09

500 °C 0,09 0,026 0,12

600 °C 0,12 0,0281 0,15

700 °C 0,14 - -

800 °C 0,17 0,0343 -

900 °C 0,2 - -

1000 °C 0,24 - -

Epaisseur (mm) 25 50 50

Densité (kg/m3) 128 320 128

Température max utilisation 1600 °C 1000 °C 1100 °C

Conditionnement (mm) 3600x610 std : 1000x500 sur mesures : 660x600

3660x610

Prix unitaire 800 € std : 67 € sur mesures : 312 €

50 €

Figure 5.2.2.1 : Tableau comparatif des isolants sélectionnés pour le prototype A partir de ce tableau, on peut exclure le MAFTEC®, dont la température d’utilisation maximale de 1600 °C (ce qui justifie son prix supérieur aux autres isolants). Il n’a donc pas été retenu pour notre prototype. Le Superwool 607® est l’isolant qui a été sélectionné grâce à son rapport qualité prix convenable. Une couche de Microterm Super G® a aussi été retenue, bien que cher, pour soutenir le poids du prototype (150 kg environ) et éviter un tassement du Superwool 607®. Une fois l’isolant sélectionné et connaissant l’évolution de sa conductivité thermique, il est possible de déterminer la température de paroi extérieure par un bilan thermique en considérant 4 couches de Superwool 607® (figure 5.2.2.2).

Figure 5.2.2.2 : Schéma de principe pour le calcul du bilan thermique

Tamb

hc

Système chaud à 800 °C

Environnement extérieur, air ambiant à 20 °C Isolation thermique

Smétal

Siso-surf

Tmétal

Tamb

hc

Conduction

Convection

Rayonnement



p. 32 / 50

Le bilan thermique à partir de la figure 5.2.2.2 consiste à égaliser d’un côté le flux de conduction entre le métal et l’isolant et de l’autre côté la somme du flux de convection et du rayonnement entre l’isolant et l’air extérieur. L’équation devient alors :

44

ambiantesurfisoextisoambiantesurfisoextisocsurfisométalmetal TTSTTShTTSe

Avec :

Tiso-surf la température de surface extérieure de l’isolant recherchée ; Tmétal = 800 °C, Tamb = 20 °C les températures du métal et de l’air ambiant ; Smétal = 0.59 m², Siso-ext = 3.12 m² la surface de métal en contact avec l’isolant, et la

surface d’isolant en contact avec l’air extérieur ; e = 4 x 0.05 m l’épaisseur totale de l’isolant ; λ = 0.15 W/m.K la conductivité thermique de l’isolant ; ε = 0.3 l’émissivité de l’isolant ; σ = 5.67 10-8 W/m².K4 la constante de Stéphan Boltzmann ; hc = 10 W/m².K coefficient de convection de l’air extérieur.

Cette équation (3) tient compte du transfert par conduction entre la plaque chaude et l’isolant, du transfert par convection entre l’isolant et l’environnement extérieur, et enfin du rayonnement émis par l’isolant vers l’extérieur. Dans cette équation, l’inconnue est la température de l’isolant Tiso, obtenue grâce à la fonction « RECHERCHE » du logiciel Excel®. Le résultat obtenu est Tiso = 54 °C. Cette température est satisfaisante pour ne pas se brûler. Avec cette valeur, les pertes thermiques (Ppertes) à vaincre par l’apport d’énergie électrique dans la sole sont de 1314 W. Pour conclure sur l’isolation, une représentation 3D est effectuée (figure 5.2.2.3).

Figure 5.2.2.3 : Représentation 3D des 4 couches d’isolation du prototype (a) et du capot (b)

5.2.3 Réflexion sur le système électrique de chauffe de la sole et de refroidissement par « boîte à eau »

Le dimensionnement de la sole chauffante est aussi déterminant car il s’agit d’un point couteux du projet (plus de 40 % du budget global du prototype). Ainsi un premier calcul par bilan de puissance permet de déterminer la puissance électrique nécessaire pour chauffer la

[éq 3]

a) b)



p. 33 / 50

sole jusqu’à 800 °C. Ce bilan consiste à dire que la puissance de chauffe est égale à la somme de quatre termes :

la puissance des pertes thermiques à vaincre ;

la puissance pour chauffer le carbonate de lithium et le cuivre en chaleur sensible ;

la puissance nécessaire au changement de phase ;

la puissance pour chauffer l’isolant.

D’où l’équation suivante :

chauffe

initiale

isosurfmetal

IsoIsoCOLiCOLiinitialemetalCOLiCOLiCuCu

pertechauffeDurée

TTT

CpMLMTTCpMCpM

PP

232323232

Avec :

Ppertes = 1314 W la puissance de pertes calculée précédemment ; Tinitial = 20 °C la température initiale de la sole ; CpCu = 385, CpLi2CO3 = 2500 et Cpisolant = 1050 J/kg.K les capacités calorifiques ; L = 509 kJ/kg la chaleur latente ; MCu = 68 kg, MLi2CO3 = 51 kg et Miso = 43 kg la masse ; D = 4.5 heures, la durée de chauffe souhaitée.

Avec ces valeurs, Pchauffe = 11.5 kW. Le dimensionnement se fait donc sur une puissance électrique de chauffe de 12 kW, pour une montée en température d’environ 4 heures et 30 minutes. Cette puissance élevée requiert une alimentation en triphasé, et donc, des installations particulières dans le laboratoire (sections de câbles et dispositifs de sécurité). Il était dans un premier temps question d’utiliser une résistance chauffante, ou cordon chauffant souple ou rigide en forme de serpentin, telle la résistance électrique d’un four domestique, prise en sandwich dans deux blocs de cuivre usinés sur-mesure. Mais des problèmes de conception (notamment des soucis de contact cuivre / résistance impliquant des surchauffes) et des contraintes de fabrication de la sole nous ont rapidement orienté, avec les conseils du technico-commercial de l’entreprise fournisseur du matériel, vers des cartouches chauffantes (tubes ou cannes chauffantes) et des perçages simples dans la sole en cuivre (figure 5.2.3.1). Plus facile à usiner, le perçage dans le cuivre nécessite cependant l’usage d’un foret au cobalt pour éviter l’abrasion du foret et le vrillage du perçage.

Figure 5.2.3.1 : Schéma 3D de la sole chauffante et de la boîte à eau Après vérification des tolérances d’alésage et de forêt, un perçage à 16 mm (+0/+0.027) avec les cartouches à 16 mm (-0.05/-0.08) permet d’avoir suffisamment de jeu pour insérer les cartouches sans les abîmer et y insérer une graisse thermique favorisant le contact thermique et le transfert de chaleur.

Boîte à eau contenant 5 perçages de 16 mm sur lesquels sont raccordés des tubes inox pour l’arrivée d’eau et l’extraction de vapeur

Sole chauffante contenant 24 perçages de 16 mm pour y insérer les cartouches.

[éq 4]



p. 34 / 50

L’armoire de régulation (figure 5.2.3.2), fournie avec les cartouches, est une armoire conçue sur-mesure par le fournisseur pour avoir suffisamment de sécurité (gestion de la charge et coupure en cas de surchauffe). Celle-ci doit délivrer une puissance de 12 000 W alimentée en triphasé 40 A / 440 V. L’alimentation en triphasé impose un branchement électrique des cartouches en triangle et donc une quantité de cartouches multiple de 3. Ainsi 24 cartouches de 500 W chacune, disposées par série de 8 sur trois rangées (figure 5.1.3.2) permettent de porter la sole à 800 °C en moins de 5 heures.

Figure 5.2.3.2 : Coffret électrique (a) et cartouches chauffante dans la sole (b)

Pour déterminer la durée de cyclage entre 600 et 800 °C, il faut reprendre l’équation 4 et calculer la durée de chauffe (équation 5).

pertechauffe

i

isosurf

IsoIsoCOLiCOLiCOLiCOLiCuCu

chauffePP

TTT

CpMLMTTCpMCpM

Durée

inf

sup

3232infsup32322

Avec Pchauffe = 12 000 W on obtient alors D = 77 minutes. L’énergie équivalente (puissance multiplié par le temps) à cette montée en température est de 55 MJ (noté Qcharge par la suite). Le refroidissement du système consiste à faire passer un débit d’eau au travers de la sole par des perçages orthogonaux aux cartouches chauffantes (voir figure 5.1.3.1). La quantité d’eau nécessaire au refroidissement de 800 à 600 °C est déterminée par l’équation suivante :

vapoeauinitliqeauliqeauechedéch LTCpMQQ 100argarg

Avec :

Meau la masse d’eau liquide à déterminer ; Qcharge = 55 MJ l’énergie nécessaire au refroidissement ; Cpeau = 4.18 J/kg.K la capacité calorifique de l’eau; Tinit-eau = 15 °C la température initiale de l’eau ; Lvapo = 226 kJ/kg la chaleur latente de vaporisation de l’eau.

On obtient alors 21 kg d’eau nécessaire au refroidissement. Le réglage du débit permet de gérer la vitesse de refroidissement. Une nourrice d’alimentation d’eau et une extraction de vapeur vers l’extérieur sont mises en place.

[éq 5]

[éq 6]

a) b)



p. 35 / 50

5.2.4 Fabrication d’une nourrice et l’extraction de vapeur en phase de refroidissement.

Après avoir défini la nature de la boîte à eau (les cinq perçages dans la sole), il faut concevoir les éléments qui permettront d’acheminer l’eau jusque dans la sole et d’extraire la vapeur vers l’extérieur. Concernant l’arrivée d’eau il a été convenu de fabriquer une nourrice en inox, pour résister à la chaleur par conduction, avec des tubes soudés entre eux pour prévenir les éventuelles fuites. En amont de la nourrice se trouve un débitmètre permettant de connaître la quantité d’eau utile au refroidissement, ainsi qu’une vanne de réglage pour la gestion du débit (en moyenne d’une trentaine de litres par heure). Le raccordement des tubes inox à la sole se fait avec des raccords à olive sans soudures qui sont vissés dans la sole.

Figure 5.2.4.1 Schéma 3D de la nourrice d’alimentation en eau

L’extraction de vapeur est assurée par des tubes inox flexibles vissés dans la sole et traversant le mur extérieur du bâtiment pour rejeter la vapeur dans l’atmosphère.

5.2.5 Réflexion sur l’emplacement et la disposition du prototype

Le prototype doit être placé dans un lieu disposant des critères suivants : une alimentation triphasée de 12 kW pour alimenter l’armoire de commande et les cartouches chauffantes en électricité, une évacuation vers l’extérieur pour assurer l’échappement de vapeur, une arrivée d’eau normale (type robinet classique). Il faut également qu’il y ait suffisamment de place pour pouvoir se déplacer autour et que l’espace utilisé soit disponible durant plusieurs mois, le temps d’effectuer un maximum de mesures expérimentales sur le prototype. Deux emplacements ce sont alors présentés : le Plasma, au sous-sol du Four Solaire, et la Maquette, un bâtiment annexe à proximité du Four Solaire. Le choix final s’est porté sur la Maquette pour des questions d’espace et de rejet de vapeur (un trou déjà percé dans le mur).

5.2.6 Protocole de mesures expérimentales

Dans un premier temps, le prototype sera utilisé avec de la paraffine de façon à pouvoir observer les cellules convectives lors du chauffage, et vérifier que la matrice de cuivre conduit bien la chaleur jusqu’en haut des ailettes. Afin d’observer ces comportements, les ailettes sont maintenues avec des parois en plexiglas (figure 5.2.6.1). La transparence permet d’enregistrer les transferts de chaleur en dynamique grâce à une caméra numérique.

Raccords vissés dans la sole

Tubes et coudes soudés

Nourrice

Débitmètre

Vanne de régulation

Connexion vers tuyau d’eau



p. 36 / 50

Figure 5.2.6.1 : Système de stockage avec parois en plexiglas pour enregistrement vidéo

La paraffine change de phase entre 51 et 53 °C. Le système de chauffage peut donc être assuré par deux moyens : soit en utilisant les cartouches chauffantes à faible puissance, soit en utilisant les perçages du refroidissement et en y faisant passer de l’eau chaude. Toutefois, lorsque le prototype fonctionne avec le carbonate de lithium, il n’est plus possible de se contenter de parois en plexiglas car la température doit approcher les 800 °C. Elles sont donc remplacées par des tôles d’acier inoxydable d’épaisseur 6 mm. Le module est alors complètement nettoyé de la paraffine. Elle est remplacée par le carbonate de lithium. Seuls des thermocouples, judicieusement positionnés, permettent alors d’avoir une information sur le comportement du TES. L’objectif étant la mesure des fronts de fusion, il est très important d’avoir beaucoup de points de mesures, au moins 5 par ligne, et d’être sûr que ceux-ci sont fixes et ne bougeront pas au fil du temps. La figure 5.2.6.2 présente les points de mesures de température captés grâce à des thermocouples de type K perlés en inconel 600 sur 1 mètre et pouvant résister à des températures de 1100 °C. Rappelons que seul le compartiment central est soumis à des mesures expérimentales car il s’agit du plus représentatif du module de stockage.

Figure 5.2.6.2 : Emplacement des thermocouples sur l’espace inter-ailette central du prototype vue de face (a) et vu de haut (b), schéma non à l’échelle

76 mm

38 mm

20 mm

5 mm

120 mm

400 mm

140 mm

120 mm

a) b)



p. 37 / 50

Sur la figure 5.2.6.2, les points rouges désignent les thermocouples reliés à l’ailette de gauche, les jaunes ceux de l’ailette de droite. Les thermocouples sont répartis sur les deux ailettes du compartiment central pour des questions de commodité de cheminement des gaines. 30 points de mesures ont été définis, soit 15 thermocouples par ailette. On mesure ainsi le front de fusion avec 7 thermocouples par ligne et sur 4 hauteurs différentes. 2 thermocouples supplémentaires mesurent la température de la sole à la base des ailettes. Pour maintenir les thermocouples dans leur position, ceux-ci sont tenus par force grâce à une petite plaque de cuivre ou d’inox vissée dans l’ailette.

5.3 Réalisation d’un canal élémentaire du prototype

Dans le but de vérifier l’étanchéité entre les parois de plexiglas ou d’acier et les ailettes, et la méthode de fabrication du prototype, un canal élémentaire ayant la forme d’un espace inter-ailette est fabriqué. Il permet par ailleurs de vérifier le positionnement des thermocouples, le cheminement de ceux-ci vers l’extérieur du prototype, les méthodes de soudure, de perçage et de vissage des ailettes et des parois à la sole etc… Ce canal élémentaire doit être suffisamment grand pour représenter le prototype, soit un espace inter-ailettes de 76 mm et des ailettes de 8 mm, et suffisamment petit pour rentrer dans le four électrique et être chauffé, soit une profondeur et une hauteur d’environ 12 cm. Comme on peut le voir sur la figure 5.3.1 (b) les ailettes sont usinées pour permettre la disposition des thermocouples.

Figure 5.3.1 : Modélisation 3D du creuset élémentaire avec parois en acier (a) et parois en

plexiglas (b) Ce canal élémentaire est une façon d’entrainer la personne chargée de l’usinage des différentes pièces du prototype final.

5.4 Représentation en trois dimensions du prototype

Cette partie reprend les paragraphes précédents à l’aide d’une représentation en trois dimensions du prototype complet, figure 5.4.1, dans son emplacement et avec tous les éléments (support, coffret, appareils de mesure, nourrice, extraction de vapeur, module TES, isolation etc…).

Ailettes usinées pour le passage des thermocouples

Parois en plexiglas ou en inox

Sole

a) b)



p. 38 / 50

Figure 5.4.1 : Différentes vues du prototype représenté en 3D La première photo (a) présente une vue générale avec le coffret électrique, le plateau support, et une structure porteuse en profilé modulaire. La seconde (b) permet de voir la nourrice d’alimentation d’eau connectée à la sole du côté droit (isolée (b) puis non isolée (c)). La quatrième (d) montre les tuyaux d’extraction de vapeur vers le trou situé dans le mur. La cinquième (e) montre une partie de l’isolant côté gauche et les câbles de connexions des cartouches chauffantes vers le coffret électrique.

5.5 Commande de matériel

En fonction de la nature du matériel souhaité, les commandes peuvent nécessiter de longues discussions avec un technico-commercial de la société fournisseur. La plupart du temps, l’échange commence par une demande de devis. En réponse à cette demande, le fournisseur propose des alternatives en fonction de la demande et des standards

a)

b) c)

d) e)



p. 39 / 50

disponibles. Dans ce projet par exemple, la commande finale de cartouches chauffantes et de l’armoire de régulation n’a eu lieu qu’au bout de plusieurs semaines. Le montant de la commande est aussi un paramètre important. En effet, la recherche publique ne peut privilégier des fournisseurs. Ainsi dans le cas où la commande dépasse un certain montant, plusieurs devis identiques de fournisseurs différents doivent justifier un choix. Il se peut même qu’une démarche d’appel d’offre se mette en place. Le choix d’un fournisseur passe par la négociation du montant global de la facture, mais se fait aussi en fonction de la qualité du produit ou du matériel, et des délais de livraison.

5.6 Budget

Aux termes de l’approvisionnement des matériels et matériaux nécessaires au projet, la répartition du coût total est calculée et représentée sur la figure 5.6.1 (voir détails en annexe 4). On peut remarquer que la partie chauffage électrique de la sole représente plus du tiers du coût global du prototype, soit une part conséquente en termes de budget et justifie le temps qui y a été consacré. L’apport en matière première (cuivre, paraffine et carbonate de lithium) est aussi non négligeable. Enfin, le Graphtec®, instrument de mesure high-tech, est cher mais sera utilisé au cours d’autres expériences qui amortiront son coût.

Figure 5.6.1 : Diagramme représentatif du budget total du projet Il faut néanmoins rajouter au projet le coût de la rénovation de la partie électrique du bâtiment qui recevra le prototype. Le chiffrage de la réhabilitation devrait survenir durant l’été 2012.

3%

7%

6%0%

1%

22%

19%2%

3%

4%

16%

3%

3%

2%2%

2% 2%

3%

0%Isolant

Bloc cuivre sole

Ailettes cuivre

Plexiglass

Acier fermeture ailette

cartouches chauffantes

armoire de régulation

25 kg Paraffine

50 kg Carbonate de lithium

40 Thermocouples

Graphtec gl 820

Nourrice

Débitmètre

Profilé support

Tôles + cornière couverture proto

Plateau

Roulettes

Soudure sole + nourrice

Autre (taraud)



p. 40 / 50

6 Planning de fabrication et d’exploitation du prototype de stockage d’énergie

6.1 Fabrication

A ce jour, tous les éléments nécessaire à la fabrication du prototype ont été commandés et sont prêt à être mis en œuvre. Le plateau support a été équipé de ses roulettes, le profilé à été installé. Les ailettes ont été usinées ainsi que la sole chauffante. Les soudures des ailettes à la sole et de la nourrice d’alimentation sont sous-traitées. La réception de la commande est prévue pour mi-juin. Dès lors le prototype peut être installé sur son support pour commencer les expérimentations avec la paraffine.

6.1 Expérimentation avec utilisation de la paraffine

Une fois le prototype mis en place, la paraffine doit être intégrée dans les compartiments entre les ailettes. Le dispositif vidéo peut par la suite être installé et viser le compartiment central. Débute alors une phase expérimentale d’observation des cellules convectives dans la paraffine et de vérification des transferts de chaleur jusqu’en haut des ailettes. Cette phase pourra débuter en juillet pour se terminer en automne 2012 et commencer la phase expérimentale avec le carbonate de lithium.

6.2 Expérimentation avec utilisation du carbonate de lithium

L’étude du système de stockage avec le carbonate de lithium impose d’avantage de contrainte qu’avec l’utilisation de la paraffine. Il faut dans un premier temps nettoyer le module de toute présence de paraffine pour ne pas polluer le Li2CO3. Les parois d’acier doivent remplacer celles de plexiglas. Les thermocouples doivent être installés et leur position doit être fixée de façon sûre. Les 4 couches d’isolation doivent également être disposées et les ponts thermiques bouchés. Enfin, les cartouches chauffantes peuvent être mises en place et leur fonctionnement doit être vérifié.



p. 41 / 50

Conclusion scientifique

Cette étude retrace les phases de conception d’un prototype de stockage d’énergie thermique (TES). Une étude bibliographique a permis de choisir un stockage en chaleur latente à partir de carbonate de lithium et d’intensifier l’échange thermique par une matrice solide conductrice en cuivre. Après une validation théorique du comportement thermochimique des matériaux, une étude expérimentale vient confirmer que les espèces sont compatibles et conformes par rapport à leurs propriétés thermochimiques. Ensuite à partir d’un modèle numérique du TES, la conception à l’échelle du laboratoire est réalisée.

Tous les éléments du prototype sont dimensionnés puis commandés en vue de la

construction. Enfin pour aider à la fabrication du prototype, une représentation en trois dimensions est réalisée.

L’étude conclue sur un planning d’expérimentation dès lors que le prototype sera

prêt. L’exploitation des résultats expérimentaux sera effectuée prochainement lors d’une thèse par un doctorant qui aura la charge d’étudier le récepteur de la centrale Thémis au sein du projet PEGASE couplé à un récepteur dont le prototype, présenté dans ce rapport, servira de maquette à la construction du vrai TES final.

Perspectives

Le prototype de stockage thermique fabriqué permettra d’approfondir les connaissances sur les procédés de stockage utilisant le carbonate de lithium à haute température intégré à une matrice de cuivre. Les perspectives que présente ce module sont les suivantes :

il est possible d’incliner le TES pour simuler sa mise en place au dos d’un récepteur solaire oblique, c’est en effet dans cette position qu’est installé le récepteur PEGASE ;

après utilisation de l’électricité, le module peut être soumis à un flux solaire concentré pour évaluer son comportement en conditions réelles de fonctionnement face à une source thermique non contrôlée.

enfin la meilleure perspective reste la fabrication du même TES à l’échelle de la centrale Thémis et du vrai récepteur de PEGASE (3 m x 3 m). Son dimensionnement est prévu dans les années qui viennent.



p. 42 / 50

Conclusion du stage de fin d’études d’ingénieur

C’est avec une grande satisfaction que je termine ce rapport par une conclusion générale sur le déroulement du stage. Ce stage, qui termine ma formation d’ingénieur au sein de l’école Polytech’Montpellier, s’est globalement très bien passé. L’accueil chaleureux de l’ensemble du personnel du laboratoire PROMES et de la ville de Font-Romeu, m’a permis de m’intégrer rapidement au monde de la recherche scientifique.

Ces mois passés ici m’ont beaucoup appris quant à la gestion d’un emploi du temps,

d’un budget et d’une conversation avec différents interlocuteurs comme les responsables de projet ou les fournisseurs. Ma vision du travail d’un ingénieur et de ses responsabilités est désormais plus claire.

Bien que je n’aie pas eu le temps d’amener la construction du prototype à son terme,

je suis content d’avoir la possibilité de poursuivre cette étude lors d’une thèse à partir de la rentrée 2012. Je considère cette thèse comme la meilleure récompense du travail que j’ai accompli ici.



p. 43 / 50

Tables des figures et tableaux

FIGURE 2.1.1 : DIFFERENTS TYPES DE CENTRALES CSP, A : NEVADA SOLAR ONE CYLINDRO PARABOLIQUE, USA, B : NOVATEC LINEAR

FRESNEL, ESPAGNE, C : DISH STIRLING, FRANCE, D : GEMASOLAR, CSP TOUR, ESPAGNE................................... 10 FIGURE 2.1.2 : RECEPTEUR SOLAIRE D’UN CENTRALE CSP A TOUR (GEMASOLAR, ESPAGNE) ................................................. 11 FIGURE 2.1.3 : SCHEMA DE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE CENTRALE CSP ................................................................ 11 FIGURE 2.2.1 : DIFFERENCE D’ENSOLEILLEMENT TYPIQUE JOURNALIER ENTRE UNE JOURNEE ENSOLEILLEE (A) ET UNE JOURNEE

NUAGEUSE (B), SOURCE HTTP://MIC2000.PROMES.CNRS.FR/ ...................................................................... 12 FIGURE 2.3.1 : SCHEMA DE PRINCIPE DES CHANGEMENTS DE PHASE DE LA MATIERE ................................................................ 13 FIGURE 2.3.2 : EVOLUTION DES PERFORMANCES D’UN SYSTEME DE STOCKAGE EN FONCTION DU TAUX DE MATERIAU A CHANGEMENT

DE PHASE PAR RAPPORT A LA MATRICE METALLIQUE .................................................................................... 14 FIGURE 2.4.1 : DIFFERENTS TYPES DE GRAPHITES TESTE : (A) GRAPHITE NATUREL EN FLOCONS, (B) GRAPHITE NATUREL EXPANSE, (C)

GRAPHITE NATUREL EXPANSE TERREUX [PINCEMIN 2008]............................................................................ 15 FIGURE 2.4.2 : ECHANTILLON D’UN PANNEAU D’ALUMINIUM EN FORME DE NID D’ABEILLE, REMPLI PAR LA SUITE DE PARAFFINE ET

RECOUVERT D’UNE PLAQUE D’ALUMINIUM [HASSE 2011] ........................................................................... 15 FIGURE 2.4.3 : PARAFFINE ENCAPSULEE DES FILMS FINS DE POLYETHYLENE [ZUKOWSKI 2007] ................................................. 16 FIGURE 3.1.1 : EVOLUTION SOUHAITEE DE LA TEMPERATURE DE L’AIR EN SORTIE DU RECEPTEUR LORS DE L’ABSENCE DE FLUX SOLAIRE

(DONNEES SOURCES : TRAVAUX THESE B. GRANGE, PROMES CNRS) .......................................................... 18 FIGURE 3.2.1.1 : EQUILIBRE THERMOCHIMIQUE CU / LI2CO3 SANS PRESENCE D’AIR (A), ET AVEC PRESENCE D’AIR (B), LOGICIEL HSC19 FIGURE 3.2.2.1 : EXEMPLE DE CONSIGNE ENREGISTRABLE SUR LE PROGRAMMATEUR P330 ..................................................... 20 FIGURE 3.2.2.2 : INTERIEUR DU FOUR NABERTHERM (A) ET PROGRAMMATEUR P330 (B) ....................................................... 20 FIGURE 3.2.2.3 : TYPES DE CREUSETS UTILISES. A) CREUSET EN PORCELAINE ET CREUSET EN ALUMINE, B) CREUSET EN ALUMINE FRITTE,

C) CREUSET EN CUIVRE, D) CREUSET EN PORCELAINE FISSURE ........................................................................ 21 FIGURE 3.2.2.4 : INSTRUMENT D’ACQUISITION NUMERIQUE GRAPHTEC® A 10 VOIES ............................................................. 21 FIGURE 4.1.1 : RESULTAT D’UN DEBUT DE CYCLAGE DE TEMPERATURE AVEC UN CREUSET EN ALUMINE FRITTE AVANT RUPTURE ....... 22 FIGURE 4.1.2 : TABLEAU DES MESURES EXPERIMENTALES DES TEMPERATURES DE FUSION ET SOLIDIFICATION DU CARBONATE DE

LITHIUM ............................................................................................................................................. 23 FIGURE 4.1.3 : CARBONATE DE LITHIUM AU DEPART (A) ET FRITTE (B) ENTRE 500 ET 700 °C DANS UN CREUSET EN CUIVRE OXYDE .. 24 FIGURE 4.2.1 : TABLEAU DES MESURES EXPERIMENTALES DE PERTE DE MASSE DU LI2CO3 ........................................................ 24 FIGURE 4.2.2 : TABLEAU DE LA MESURE EXPERIMENTALE DE LA MASSE VOLUMIQUE ................................................................ 25 FIGURE 4.3.1 : DISPOSITION DE LA PIECE EN CUIVRE DANS UN CREUSET AU CONTACT DE LI2CO3 (A), ET PIECE DE CUIVRE APRES

CHAUFFAGE A 800 °C (B) ...................................................................................................................... 25 FIGURE 4.3.2 : RESULTAT DRX DE LA PIECE DE CUIVRE AVANT (COURBE BLEUE) ET APRES (COURBE VERTE) CHAUFFAGE A 800 °C ... 26 FIGURE 5.1.1 : MODELISATION DU TES SOUS COMSOL® ET CONDITIONS LIMITES VU EN TROIS DIMENSIONS (A) ET EN COUPE (B)

[ABDILLAHI 2011] ............................................................................................................................... 27 FIGURE 5.1.2 : EXEMPLE DE LA MEILLEURE GEOMETRIE DU TES AVEC 30 % DE MCP DES TUBES DE MCP COLLES LES UNS SOUS LES

AUTRES [ABDILLAHI 2011] .................................................................................................................... 28 FIGURE 5.2.1 : SCHEMA DE PRINCIPE DES BESOINS POUR LE SYSTEME DE STOCKAGE ................................................................ 29 FIGURE 5.2.1.1 : DIMENSIONS PRINCIPALES EN MM DU PROTOTYPE DE STOCKAGE A NU .......................................................... 30 FIGURE 5.2.2.1 : TABLEAU COMPARATIF DES ISOLANTS SELECTIONNES POUR LE PROTOTYPE ..................................................... 31 FIGURE 5.2.2.2 : SCHEMA DE PRINCIPE POUR LE CALCUL DU BILAN THERMIQUE ..................................................................... 31 FIGURE 5.2.2.3 : REPRESENTATION 3D DES 4 COUCHES D’ISOLATION DU PROTOTYPE (A) ET DU CAPOT (B) ................................. 32 FIGURE 5.2.3.1 : SCHEMA 3D DE LA SOLE CHAUFFANTE ET DE LA BOITE A EAU ....................................................................... 33 FIGURE 5.2.3.2 : COFFRET ELECTRIQUE ET CARTOUCHES CHAUFFANTE DANS LA SOLE .............................................................. 34 FIGURE 5.2.4.1 SCHEMA 3D DE LA NOURRICE D’ALIMENTATION EN EAU .............................................................................. 35 FIGURE 5.2.6.1 : SYSTEME DE STOCKAGE AVEC PAROIS EN PLEXIGLAS POUR ENREGISTREMENT VIDEO ......................................... 36 FIGURE 5.2.6.2 : EMPLACEMENT DES THERMOCOUPLES SUR L’ESPACE INTER-AILETTE CENTRAL DU PROTOTYPE VUE DE FACE (A) ET VU

DE HAUT (B) ....................................................................................................................................... 36 FIGURE 5.3.1 : MODELISATION 3D DU CREUSET ELEMENTAIRE AVEC PAROIS EN ACIER (A) ET PAROIS EN PLEXIGLAS (B) .................. 37 FIGURE 5.4.1 : DIFFERENTES VUES DU PROTOTYPE REPRESENTE EN 3D................................................................................. 38 FIGURE 5.6.1 : DIAGRAMME REPRESENTATIF DU BUDGET TOTAL DU PROJET .......................................................................... 39



p. 44 / 50

Bibliographie

[1] M. M. Abdillahi, Q. Falcoz, A. Ferrière, « Modélisation d’un module de stockage thermique haute température couplé à un récepteur de centrale solaire à tour : intégration de matériau à changement de phase », rapport de stage, laboratoire PROMES CNRS, septembre 2011.

[2] M. Ahmad, « Nouveaux composants actifs pour la gestion énergétique de l’enveloppe légère des bâtiments. Couplage matériaux à changement de phase, super-isolation, apports solaires », rapport de thèse, Université Joseph Fourier, Novembre 2004.

[3] C. A. Bauer, « Thermal characteristics of a compact, passive thermal energy storage device », Undergraduate Research and Design in Heat Transfer, ASME, 2000.

[4] N. Calvet, X. Py, J-P. Dumas, “Stockage thermique performants et durables pour procédés solaires : des basses aux hautes températures”, rapport de thèse, laboratoire PROMES CNRS, octobre 2010.

[5] M. Farid, A. Khudhair, S. Razack, S. Al-Hallaj, “A review on phase change energy storage: materials and applications”, Energy Conversion and Management 45 (2004) 1597–1615.

[6] S. Guillot, A. Faik, A. Rakhmatullin, J. Lambert, E. Veron, P. Echegut, C. Bessada, N. Calvet, X. Py, “Corrosion effects between molten salts and thermal storage material for concentrated solar power plants”, Applied Energy, December 2011.

[7] C. Hasse, M. Grenet, A. Bontemps, R. Dendievel, H. Sallée, “Realization, test and modeling of honeycomb wallboards containing a phase change material”, Energy and Buildings 43 (2011) 232-238.

[8] G.J. Janz, M.R. Lorenz, “Solid-Liquid Phase Equilibria for Mixtures of Lithium, Sodium, and Potassium Carbonates”, Journal of chemical and Engineering Data, Vol 6, No 3, July 1961, 321-323.

[9] E. Onder, N. Sarier, E Cimen, “Encapsulation of phase change materials by complex coacervation to improve thermal performances of woven fabrics”, Thermochimica Acta 467 (2008) 63 – 72.

[10] S. Pincemin, X. Py R. Olives, M. Christ, “Highly conductive composites made of phase change materials and graphite for thermal storage”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 92 (2008) 603 - 613.

[11] A. H. Slocum et al, “Concentrated solar power on demand”, Solar Energy 85 (2011) 1519-1529.

[12] B. Zabla, J. Marin, L. Cabeza, H. Mehling, “Review on thermal energy storage with phase change material, heat transfer analysis and applications”. Applied Thermal Engineering 23 (2003) 251-283.

[13] M. Zukowski, “Mathematical modeling and numerical simulation of a short term thermal energy storage system using phase change material for heating applications”. Energy Conversion and Management 48 (2007) 155 - 165.

[14] H. Zhang, X. Wang, D. Wu, “Silica encapsulation of n-octadecane via sol-gel process: A novel microencapsulated phase-change material with enhanced thermal conductivity and performance”. Energy Journal of Colloid and Interface Science 343 (2010) 246 - 255.



p. 45 / 50

Sommaire des annexes

ANNEXE 1 : FICHE TECHNIQUE DU FOUR NABERTHERM P330 ........................................................................ 46

ANNEXE 2 : FICHE TECHNIQUE DU CARBONATE DE LITHIUM COMMANDE ..................................................... 47

ANNEXE 3 : FICHE TECHNIQUE DU CUIVRE CUC1 ET DU CUA1 ........................................................................ 48

ANNEXE 4 : BUDGET DETAILLE ........................................................................................................................ 50



p. 46 / 50

Picture shows furnace including balance

Annexe 1 : Fiche technique du four Nabertherm P330

Electrically heated muffle furnace

Technical specifications for L 9/12/SW

Inner dimensions: 230 x 240 x 170mm (wxdxh) Outer dimensions: 480 x 550 x 800 mm (WxDxH) Volume: 9 litres Weight: 56 kg Power rating: 3,0 kW Supply voltage: 1 x 230 V Max. operating temperature: 1200 °C

Standard Version

High functionality and appealing design made of structured stainless steel

Dual shell housing for stability and low outside shell temperature

Flap door which can be used as work surface

Exhaust air outlet in the furnace rear wall

Adjustable air inlet integrated in the door

Hardened vacuum-fibre module with high resistence

Ceramic heating plates with built-in heating wire, easy to replace and very

reasonably priced

Silent electronic relais

Ceramic duct through the furnace bottom

Furnace prepared for usage of balance

Controller P 330

Digital PID-temperature control

Simple operation

Real time clock

9 programs storable

40 segments

Programmable start time

Integrated socket outlet for fan or catalyst

Programmable accoustic signal

Auto tune

Integrated KW/hr counter

Integrated operating hours counter

Digital interface RS-422 for connection of the Nabertherm MV-Software



p. 47 / 50

Annexe 2 : Fiche technique du carbonate de lithium commandé



p. 48 / 50

Annexe 3 : Fiche technique du cuivre CuC1 et du CuA1



p. 49 / 50



p. 50 / 50

43%

2%

41%

14%

Annexe 4 : Budget détaillé

Achat antérieurs à mon arrivée : Four Nabertherm P330 : 7000 € Graphtec 10 voies : 800 € Budget du prototype (Tous les prix sont HT et frais de port compris) :

Isolant 583 € 2,8%

Bloc cuivre sole 1 546 € 7,5%

Ailettes cuivre 1 327 € 6,4%

Plexiglass 71 € 0,3%

Acier fermeture ailette 231 € 1,1%

cartouches chauffantes 4 725 € 22,9%

armoire de régulation 4 058 € 19,7%

25 kg Paraffine 346 € 1,7%

50 kg Carbonate de lithium 604 € 2,9%

40 Thermocouples 956 € 4,6%

Graphtec gl 820 3 410 € 16,5%

Nourrice 622 € 3,0%

Débitmètre 577 € 2,8%

Profilé support 387 € 1,9%

Tôles + cornière couverture proto 501 € 2,4%

Plateau 345 € 1,7%

Roulettes 327 € 1,6%

Soudure sole + nourrice 564 € 2,7%

Autre (taraud) 79 € 0,4%

Total Prototype 20 616 € 100,0%

Total Prototype 20 616 € 42,6%

Graphtec gl 220 800 € 1,7%

Réhabilitation Maquette 20 000 € 41,3%

Four Nabertherm 7 000 € 14,5%

Total Projet 48 416 € 100,0%

Documents

Développement et caractérisation thermique d’un … · d’apprendre beaucoup sur le monde de la ... l’optimisation des performances des centrales de production d ... du projet