Procédé thermochimique pour le stockage intersaisonnier de l’énergie solaire : modélisation multi-échelles et expérimentation d’un prototype sous air humide

Thermochemical process for inter-seasonal storage of solar energy: multiscale modeling and testing of a prototype in moist air

• Auteur / Autrice : Benoit Michel
• Direction : Nathalie Mazet, Pierre Neveu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Roux, Philippe Papillon, Pierre Odru
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lingai Luo, Marc Clausse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie solaire

Chaleur -- Stockage

Résumé

Compte tenu du déphasage entre la ressource solaire et son utilisation, il peut être intéressant de valoriser l’excès d’énergie solaire durant l’été en réalisant un stockage longue durée, afin de restituer ce surplus d’énergie pendant les périodes de chauffe. Les systèmes thermochimiques solide/gaz sont potentiellement de bons candidats pour le stockage de chaleur intersaisonnier. Ils permettent en effet d’obtenir de fortes densités énergétiques (entre 300 et 500 kWh. M-3 de solide réactif) et de s���affranchir des pertes thermiques au cours du temps (stockage sous forme de potentiel chimique). Ces systèmes sont basés sur un procédé cyclique faisant intervenir une réaction chimique renversable, entre un solide réactif poreux et un gaz réactif (le couple SrBr2/H2O dans notre cas). Cette réaction est endothermique dans un sens et exothermique dans l'autre. Un point clé des systèmes thermochimiques solide/gaz est la conception du lit réactif poreux et du réacteur, siège de la réaction thermochimique. Cette conception doit prendre en compte deux aspects, qui doivent être optimisés : les transferts de masse et de chaleur au sein du solide réactif et la densité énergétique du lit réactif, qui évoluent de manière antagoniste. Pour cela différents outils ont été mis en place : d’une part différentes modélisations des milieux poreux réactifs sous flux d’air humide ont été élaborées. Ces modèles prennent en compte les transferts de masse et de chaleur à travers le lit poreux réactif. Et d’autre part des caractérisations des transferts de masse dans un lit poreux réactif ont été réalisées. A partir de ces outils un prototype de stockage thermochimique a été conçu, expérimenté et analysé.

Given the fact that there is a delay between the solar resource and its use, it might be interesting to use excess solar energy during the summer by doing a long-term thermal storage in order to restore the energy surplus during the heating periods. Solid/gas thermochemical systems are good candidates for inter-seasonal heat storage. They allow to get high energy densities (between 300 and 500 kWh. M-3 of solid reactant) and to prevent the heat losses (storage such as chemical potential). These systems are based on a cyclic process involving a reversible chemical reaction between a porous solid reactant and a reactive gas (couple SrBr2/H2O in our case). This reaction is endothermic in a way and exothermic in the other. A key point of solid/gas thermochemical systems is the design of the reactive bed and of the reactor, seat of the thermochemical reaction. This design must take into account two aspects that need to be optimized: the heat and mass transfers in the porous reactive bed and their energy density, which evolve antagonistically. For that different tools have been developed. On one hand, different models of reactive porous media crossed by a moist air flow have been developed. These models take into account the mass and heat transfers through the reactive porous bed. And on the other hand, characterizations of mass transfer in a reactive porous bed were performed. Using these tools, a prototype of thermochemical storage was designed and tested.