Étude d’un système hydropneumatique de stockage d’énergie utilisant une pompe/turbine rotodynamique

Study of hydropneumatic energy storage device using a rotodynamique pump/turbine

• Auteur / Autrice : Egoï Ortego Sampedro
• Direction : Olivier Coutier-Delgosha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie énergétique
• Date : Soutenance le 12/12/2013
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Lille (LML)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Kueny
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Coutier-Delgosha, Geneviève Dauphin-Tanguy, Maroun Nemer, Antoine Dazin, Frédéric Colas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Desmet, Thierry Maître

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie hydraulique

Modèles mathématiques

Mots clés libres

Stockage

Energie

Hydropneumatique

Pompe reversible

Storage

Energy

Hydropneumatic

Reservible pump

Résumé

Le développement croissant de systèmes de stockages connectés au réseau électrique se voit stimulé par les problématiques de gestion de réseau liés entre autres à l'intégration croissante de technologies de production renouvelables. L'accumulation hydropneumatique d'énergie apparait comme une solution propre et économiquement intéressante dans le panel des technologies existantes. Cette étude analyse une configuration d'accumulation air-eau sans séparation, en cycle fermé et utilisant une pompe/turbine rotodynamique. Les principales problématiques en relation à ces choix techniques sont : les phénomènes de transfert de masse et de chaleur à l'interface air-eau, les caractéristiques de fonctionnement d'une machine hydraulique rotodynamique en régime d'opération variable et le rendement d'accumulation du système. Ces aspects sont traités ici par des approches locales dans certains cas, puis globales afin de pouvoir proposer un modèle de comportement dynamique du système de stockage pouvant faire l'objet de simulations rapides. Les aspects de modélisation ont été élaborés en parallèle au développement d'un banc d'essais de 45 kW réalisé dans le cadre de ce travail. Les observations expérimentales obtenues sur ce banc sont comparées aux résultats du modèle qui rend bien compte de la dynamique et de l'état énergétique du système. Des études d'amélioration du système sont engagées à la fin du document. Elles concernent d'une part la question de la flexibilité de fourniture de puissance et d'autre part le rendement d'accumulation du réservoir de stockage.

The present increasing development of storage systems connected to electrical network is stimulated by network management issues related to recent energetic landscape evolutions such as the increasing integration of renewable production sources. The hydro-pneumatic system seems to offer a clean and cheap energy storage solution among the set of existing storage technics. The present study analyses an air-water direct contact accumulation configuration, in closed cycle and using a rotodynamic pump/turbine. The main points of interest related to these technical choices are: the air-water interface mass and heat phenomena, variable operating point performances of a rotodynamic hydraulic machine and the overall efficiency of the storage device. These aspects are studied by, in some cases, a local approach, and then a global one in order to propose a dynamic behaviour model of the storage system suitable for rapid simulations. The modelling aspects were treated in parallel to the development of a 45 kW test rig built during this project. The experimental observations made on this test rig are compared to the modelling results that represent correctly the dynamics and energetic state of the system. At the end of this document, some studies for the improving of the power delivery flexibility and efficiency increasing of the accumulation element are engaged.