Définition, modélisation et validation expérimentale d’une capacité de stockage thermique par chaleur latente adaptée à une centrale thermodynamique solaire à basse température

Definition , modeling and experimental validation of a thermal storage capacity by latent heat adapted to a solar thermal power plant at low temperature

• Auteur / Autrice : Fabien Roget
• Direction : Claude Favotto, Jacques Rogez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière
• Date : Soutenance le 11/06/2012
• Etablissement(s) : Toulon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mer et Sciences (Toulon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….) - IM2NP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrates

Polyols

Énergie solaire

Thermodynamique

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Héliothermodynamique

Energie renouvelable

Changement de phase

Heliothermodynamic

Renewable energy

Phase change

Résumé

Ce travail est effectué dans le cadre d'une thèse Conventions Industrielles de Formation par la Recherche (CIFRE) entre l’entreprise Sophia Antipolis Énergie Développement (SAED) à Valbonne et l'Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP) – CNRS – Université du Sud Toulon-Var.L’objectif de cette collaboration est l’évaluation du potentiel technico-économique de divers matériaux pour le stockage de l’énergie thermique par chaleur latente, adapté aux niveaux de température des capteurs solaires développés par SAED. En effet, le stockage de l’énergie est un des principaux verrous technologiques reconnus pour les procédés ayant recours à des énergies renouvelables intermittentes et en particulier pour les centrales héliothermodynamiques.Après une introduction sur le potentiel et l’intérêt des centrales solaires thermodynamiques à basse température, un bref état de l’art des principaux types de stockage de l’énergie est présenté. Le deuxième chapitre aborde plus en détail le principe du stockage thermique par chaleur latente et recense une centaine de matériaux sélectionnés dans la littérature pour leur changement de phase dans la gamme de température 70 - 140°C. Les critères de sélection retenus y sont exposés.Des analyses thermiques par calorimétrie différentielle à balayage sont effectuées de façon systématique sur les différents Matériaux à Changement de Phase (MCP) sélectionnés. Les résultats de ces mesures, présentés dans le chapitre III, caractérisent avec précision le comportement de ces matériaux au chauffage. La transformation au refroidissement est étudiée au moyen d’un dispositif conçu spécifiquement pour représenter au mieux les conditions imposées dans une enceinte industrielle. Cette étude, présentée dans le chapitre IV, permet d’affiner la sélection des MCP pour ne garder que ceux dont la réversibilité du changement d’état est compatible avec une utilisation industrielle en tant que milieu de stockage de l’énergie thermique. Les chapitres V et VI permettent d’étudier plus en détails les spécificités de deux types de MCP que sont les polyols et les mélanges eutectiques de nitrates.Le dernier chapitre est consacré à la modélisation des échanges thermiques au sein d’une cuve de stockage contenant un MCP encapsulé. L’objectif est de disposer d’un outil de prédiction des performances d’une unité de stockage par chaleur latente, afin d’analyser l’influence des différentes solutions envisagées sur le productible d’une centrale thermodynamique solaire et leur impact sur le coût du kWh électrique produit.

This work of thesis is done within the framework of industrial agreements research training, between the company Sophia Antipolis Energie Développement (SAED) in Valbonne, and the Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP) – CNRS – University Sud Toulon-Var.The aim of this collaboration is to investigate the technical and economic potential of various materials for thermal energy storage by latent heat, suitable for temperature levels of the solar collectors developed by SAED. Indeed, energy storage is a major technological barrier to the process resorting to intermittent renewable energies and especially for thermodynamic solar power plants.After an introduction on the potential and interest of solar power plants working at low temperature, a brief state of art of the main types of energy storage is presented. The second chapter addresses in detail the principle of thermal storage by latent heat and identifies a hundred of selected materials from the literature for phase change in the temperature range 343 - 413 K. The selection criteria are exposed.Thermal analyses by differential scanning calorimetry are carried out systematically on the various selected Phase Change Materials (PCMs). The results of these measurements, presented in chapter III, accurately characterize the material behavior when heated. The transformation on cooling is studied using a device specifically designed in order to be more representative of conditions found in an industrial enclosure. This study, presented in chapter IV, allows refining the selection of PCMs retaining only those whose phase change reversibility is compatible with an industrial use as medium for thermal energy storage. Chapters V and VI are used to study in further detail the specifics of two types of MCP, respectively polyols and eutectic mixtures of nitrates.Final chapter deals with the modeling of heat transfer into a storage tank containing encapsulated PCM. The aim is to provide a tool for predicting the performance of a latent heat storage unit, in order to analyze the influence of different options on the solar power plant energy yield and their impact on the kWh cost.