Etude expérimentale et modélisation de la compression quasi isotherme d’air pour le stockage d’énergie en mer

Experimental study and modeling of near isothermal air compression for offshore energy storage device

• Auteur / Autrice : Thibault Neu
• Direction : Camille Solliec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique et combustion
• Date : Soutenance le 30/06/2017
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : SEGULA Engineering & Consulting
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : gepea
• Jury : Président / Présidente : Laurent-Emmanuel Brizzi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Camille Solliec, Laurent-Emmanuel Brizzi, Souad Harmand, Philippe Marty, Nadine Allanic, Jean-Luc Harion, Alain Bignon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Souad Harmand, Philippe Marty

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulink (logiciel)

MATLAB (logiciel)

Sciences -- Expériences

Chaleur -- Convection

Air comprimé

Énergies renouvelables

Transfert d'énergie

Mots clés libres

Energie renouvelable

Stockage d’énergie

Thermodynamique

Compression d’air quasi-Isotherme

Piston liquide

Convection

Corrélation

Expérimentation

Modélisation mono-Zonale

Renewable energy

Energy storage

Thermodynamic

Near isothermal air compression

Liquid piston

Convection

Correlation

Experimentation

Mono-Zonal modelisation

Résumé

Le stockage d’énergie par air comprimé est une des technologies nécessaires à l’emploi massif des énergies renouvelables intermittentes, d’origine solaire ou éolienne. La compression d’air par piston liquide permet d’augmenter l’efficacité du stockage d’énergie en favorisant un échange thermique intense dans la chambre de compression. La description et l’évaluation de cet échange convectif pour des chambres de compression à faible rapport alésage/course ne sont cependant que peu étudiées dans la littérature scientifique. A l’aide d’une étude expérimentale menée sur deux bancs d’essais, l’échange convectif interne dans la chambre de compression est étudié. Une méthode inverse, couplée à la mesure de la température de l’air comprimé et de la position du piston, est employée afin de déterminer les transferts thermiques pariétaux instantanés au cours des compressions.Après avoir mis en lumière la présence systématique d’une transition du régime convectif de type laminaire vers un régime turbulent dans le volume d’air comprimé, de nouvelles corrélations d’échange convectif sont recherchées. Sur la base de 73 expérimentations, plusieurs formes de corrélations basées sur des nombres sans dimension sont optimisées puis comparées. Deux nouvelles corrélations du nombre de Nusselt, l’une en régime laminaire et l’autre en régime turbulent, sont ensuite sélectionnées. Un modèle instationnaire thermodynamique 1D de la chambre de compression est alors construit dans l’environnement Matlab / Simulink afin de tester la qualité de ces corrélations. Les résultats numériques sont ainsi comparés aux données expérimentales. Finalement, deux essais expérimentaux supplémentaires, réalisés sur un banc d’essai différent, permettent de confirmer la qualité des nouvelles corrélations d’échange convectif proposées.

Energy storage by compressed air would be one of the required technologies for enabling massive use of intermittent solar or wind renewable energy sources. Air compression using a liquid piston enables an increase in the energy storage efficiency by inducing an intense heat exchange in the compression chamber. Few studies reported in the literature have focused on the description and evaluation of the convective heat exchange for a low ratio compression chamber (L/D). Using an experimental study and two test benches, the internal convective heat transfer during compression has been studied. In addition to measuring liquid piston position and air pressure, an inverse method was used to determine the instantaneous parietal convective heat flow during compression. After highlighting the presence of a systematic transition from laminar to turbulent convective regime in the compressed air, new convective heat transfer correlations were sought. On the basis of 73 experiments, several correlation forms based on dimensionless numbers were optimized and compared. Two new Nusselt number correlations, one for laminar and the other for turbulent flow, were then selected. A 1D thermodynamic transient model of the compression chamber was built using Matlab / Simulink environment in order to test the quality of these correlations. Thus, numerical results and experimental data were compared. Finally, results from two additional experiments carried out on a different test bench have confirmed the quality of the new proposed correlations for convective heat exchange.