Optimisation d'une technique avancée de stockage d'énergie thermique couplée à des architectures énergétiques multi-sources

Optimization of an innovative thermal energy storage technology at low temperatures when coupled to multi-source energy architectures

• Auteur / Autrice : Letizia Roccamena
• Direction : Mohamed El Mankibi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 15/12/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole nationale des travaux publics de l'Etat (Vaulx-en-Velin, Rhône ; 1975-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Dumortier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdeslam Draoui, David Corgier, Fréderic Rosenstein, Nikolaos Stathopoulos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Halime Paksoy, Marco Perino

Mots clés

Mots clés contrôlés

Économies d'énergie

Constructions

Chaleur -- Stockage

Mots clés libres

Matériau à changement de phase (MCP)

Stockage thermique

Validation numérique

Validation expérimentale

Optimisation

Prototype expérimental

Algorithmes génétiques

Phase change material (PCM)

Thermal storage

Numerical validation

Experimental validation

Optimization

Laboratory prototype

Genetic algorithms

Résumé

A ce jour, les solutions de stockage d'énergie apparaissent comme des solutions pertinentes permettant d'atteindre les cibles énergétiques futures et de répondre aux exigences environnementales actuelles. Le but de cette thèse est d’optimiser un système de stockage d'énergie thermique innovant basé sur un échangeur eau – matériaux à changement de phase. Ce système est couplé à l’architecture énergétique multi-sources d’un îlot composé de trois bâtiments à énergie positive situé à Lyon : l’îlot HIKARI. Afin de disposer d’un outil numérique robuste pour pouvoir optimiser cette technologie, un modèle numérique du système de stockage d’énergie thermique a été développé dans le but de reproduire le comportement du système de stockage de référence. Une fois fini, le modèle a été validé en trois étapes: une numérique et deux expérimentales. Dans un premier temps il a été validé numériquement, en comparant ses résultats avec un modèle conçu en adoptant une approche numérique différente (« Computational Fluid Dynamics »), dans un second temps il a été validé à l’échelle réelle en exploitant les données in-situ du système de HIKARI. Enfin, le modèle numérique a été validé expérimentalement grâce à un prototype expérimental conçu et réalisé à l’ENTPE dans le cadre des travaux de cette thèse reproduisant le comportement du système de stockage étudié. Après avoir été validé, le modèle a été utilisé pour procéder à l’optimisation de sa performance en utilisant la technique des algorithmes génétiques. L’analyse des résultats de ces simulations a notamment abouti sur des recommandations de dimensionnement et d’usage pour l’Ilot HIKARI et des bâtiments futurs intégrant la technologie de stockage étudiée. La thèse a été financée par l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (ADEME) dans le cadre du projet « Optimisation des architectures Énergétiques multi-sources couplées aux techniques avancées du stockage d'énergie dans le bâtiment » en partenariat avec Bouygues immobilier et Manaslu – CMDL.

One of the most promising technics used in building applications for energy efficiency purposes is the thermal energy storage (TES). Despite the thorough research on TES techniques of the last years, the release to market of cost effective technologies is quite recent. The aim of this study is to optimize the energetic behavior of an innovative TES technology consisting on a water/PCM exchanger that is part of the multi-energy production and storage systems of HIKARI, a positive energy district located in Lyon and consisting of three buildings. In order to optimize this innovative technic, a numerical model reproducing the functioning of the reference system was created. In order to make a numerical validation a second numerical model was developed using a different software based on a different numerical method and, once the in situ data obtained from the reference system monitoring, a first experimental validation was obtained. Subsequently, an innovative experimental prototype reproducing the behavior of the reference PCM-Water heat exchanger has been realized, in order to validate and calibrate the numerical model and carry out a large amount of operating scenarios. Once the model numerically and experimentally validated, the optimization of the HIKARI’s cold storage system technology has been obtained using Genetic Algorithms (GAs) finding the best values to allocate to four characteristics of the cold storage system, in order to minimize two predefined objective functions linked to its functioning. This work was supported by the French Agency for Environment and Energy Management (ADEME) and it was part of the project “Optimization of innovative energy storage technologies when coupled to multi-sources energy architectures”, in cooperation with Bouygues immobilier and Manaslu – CMDL.