Etude du revêtement des cavités minées dans un stockage adiabatique d'air comprimé

Study of coating of underground cavities

• Auteur / Autrice : Anis El Murr
• Direction : Michel Tijani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Techniques et économie de l'exploitation du sous-sol
• Date : Soutenance le 22/12/2015
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de géosciences (Fontainebleau, Seine et Marne)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Bérest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Bérest, Jacques Pironon, Amade Pouya, Faouzi Hadj Hassen, Jean-François Fourmigué, Lionel Nadau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jacques Pironon, Amade Pouya

Mots clés

Mots clés contrôlés

Air comprimé

Stockage souterrain

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Air comprimé

Revêtements

Cavités souterraines

Compressed air

Coatings

Underground cavities

Résumé

Le stockage de l’énergie constitue un enjeu majeur pour garantir la sécurité des réseaux électriques et favoriser le développement des énergies renouvelables. Véritable alternative aux stations de transfert d’énergie par pompage (STEP), le stockage d’énergie par air comprimé (CAES pour Compressed Air Energy Storage) fait partie des technologies les plus intéressantes. Dans les systèmes classiques utilisés actuellement, l’énergie de compression est perdue et l'air est préchauffé lors de la détente. Il en résulte une émission de CO2 et un rendement faible de l’ordre de 50%. Le système AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) vise à pallier ces deux inconvénients en stockant la chaleur de compression dans un régénérateur thermique et en la restituant avant la détente dans la turbine. Compte tenu des fortes sollicitations thermiques, mécaniques et cycliques que subit cet ouvrage, la conception d'un revêtement capable d'assurer la stabilité, l'isolation et l'étanchéité constitue un enjeu principal du système. Ce point crucial constitue l'axe principal autour duquel s'articule cette thèse. Une campagne d'essais en laboratoire a été mise en oeuvre pour étudier les comportements thermique, hydraulique et mécanique de tous les matériaux impliqués dans un régénérateur souterrain creusé dans une roche cristalline. Pour l'air humide, dont le comportement thermodynamique est mal connu dans la gamme des fortes températures et des pressions envisagées, un nouveau modèle théorique a été développé. De la même façon, un modèle thermo-hydro-mécanique a été développé pour un milieu poreux déformable saturé traversé par un fluide compressible. L'intégration de ce modèle dans un logiciel de calcul de structures par éléments finis a permis d’examiner plusieurs configurations de revêtement et d'étudier l’effet des mécanismes de couplage sur le champ de température et sur la stabilité mécanique. Afin de valider les développements effectués et les solutions de revêtement proposées, un prototype d’un régénérateur à échelle réduite combinant pression et température a été construit dans le laboratoire LITEN du CEA à Grenoble. Les résultats des expériences et des modélisations effectuées ont mis en évidence l'importance du phénomène de convection dans les briques isolantes du revêtement et la nécessité d'assurer l'étanchéité du système avant l'isolation thermique.

Energy storage is a major challenge to ensure the safety of electrical networks and to promote the development of renewable energies. Veritable alternative to Pumped Storage Hydropower (PSH), the energy storage using compressed air (for CAES Compressed Air Energy Storage) is one of the most interesting technologies. In conventional systems currently in use, the compression energy is lost and the air is preheated during the expansion phase. This results in emission of CO2 and a low efficiency of about 50%. The AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) aims to overcome these two drawbacks by storing the heat of compression in a thermal regenerator and restoring it before expansion in the turbine. Given the high thermal, mechanical and cyclic loading subject to the regenerator, the design of a lining capable of ensuring stability, insulation and sealing is a main issue of the system. This crucial point is the main axis around which this research is articulated. A laboratory testing campaign has been conducted to study the thermal, mechanical and hydraulic behavior of all materials involved in the underground regenerator excavated in a crystalline rock. For the humid air, whose thermodynamic behavior is not well studied within the range of the high foreseen temperatures and pressures, a new theoretical model was developed. In the same way, a thermo-hydro-mechanical model was developed for a deformable porous medium saturated with a compressible fluid. The implementation of this last model into a finite element numerical code was used to examine several lining configurations and to study the effect of coupling mechanisms on the temperature field and the mechanical stability. To validate the developments made and the proposed lining solutions, a prototype of a small scale regenerator combining temperature and pressure was built in the LITEN laboratory of CEA in Grenoble. The results of the conducted experiments and modeling revealed the importance of the convection phenomenon in the insulating bricks of the lining and the need to seal the system before thermal insulation.