Modélisation thermodynamique des systèmes de stockage d'énergie à air comprimé

Thermodynamic simulation of compressed air energy storage systems

• Auteur / Autrice : Ghady Dib
• Direction : Rémi Revellin, Philippe Haberschill
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique énergétique
• Date : Soutenance le 27/10/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : François Lanzetta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Revellin, Philippe Haberschill, François Lanzetta, Vincent Lemort, Lavinia Grosu, Romuald Rullière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Lemort, Lavinia Grosu
• DOI : 10.70675/9267ebecz2326z4945za42az8c25ea7d3f7e

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie -- Stockage

Habitations

Mots clés libres

Electricité

Stockage é

Energie électrique

Air comprimée

Energie renouvelable

Compresseur adiabatique

Détenteur adiabatique

Thermodynamique

Modélisation

Modèle numerique

Stockage Energie par Air Comprimé - CAES

Adiabatique avancée

Piston

Bâtiment

Electricity

Storage

Electric energy

Compressed air

Renewable energy

Adiabatic compressor

Adiabatic expander

Thermodynamics

Modeling

Numerical model

Compressed Air Energy Storage System - CAES

Advanced adiabatic

Piston

Building

Résumé

Le développement des énergies renouvelables pose la question du stockage de l’énergie électrique. L’utilisation du stockage par air comprimé semble une solution prometteuse dans le domaine du stockage d'énergie : elle se caractérise par une grande fiabilité, un faible impact environnemental et une remarquable densité énergétique stockée (kWh/m3). Jusqu’à présent, l'air comprimé a été utilisé dans de nombreux domaines comme vecteur d’énergie pour stocker différentes formes d'énergies (transport routier, poste pneumatique, plongée sous-marine). Néanmoins, actuellement de nombreux chercheurs se concentrent sur le développement de stockage d'énergie par air comprimé (CAES) à petite échelle couplé à une application de bâtiment en se basant sur les travaux développés pour les multiples systèmes de CAES à grande échelle installés dans le monde. Un modèle numérique global du système de stockage par air comprimé à petite échelle, couplé à un modèle de bâtiment et à des modules d’énergie renouvelable a été développé dans le but de modéliser différents compresseurs/détendeurs et structures d’installation développés par plusieurs startups (LightSail Energy et Enairys Powertech) et chercheurs. Les compresseurs et détendeurs adiabatiques ont d’abord été sélectionnés pour étudier le système de trigénération de stockage d'énergie par air comprimé adiabatique avancé (AA-CAES) couplé au bâtiment et aux réseaux avec les différents scénarios décrits ci-dessus. Les compresseurs et détendeurs quasi-isothermes développés par LightSail Energy et Enairys Powertech ont été modélisés pour chaque phase de la compression et de la détente. Ces modèles analytiques ont permis une meilleure compréhension du fonctionnement principal de ces technologies et d'avoir l’ordre de grandeur de différents paramètres physiques. Les systèmes I-CAES et AA-CAES sont comparés d'un point de vue financier en se référant à une analyse du marché des systèmes de production/utilisation de l'air comprimé. Trois prototypes différents ont été étudiés: deux systèmes AA-CAES (idéal et virtuel (basés sur des unités commerciales trouvées sur le marché de l'air comprimé)) et un système I-CAES (basé sur le prototype LightSail Energy CAES).

In the context of developing renewable energies, storing energy improves energy efficiency and promotes the insertion of intermittent renewable energies. It consists of accumulating energy for later use in a place that may be the same or different from the place of production. Converting electrical energy to high-pressure air seems a promising solution in the energy storage field: it is characterized by a high reliability, low environmental impact and a remarkable stored energy density (kWh/m3). Currently, many researchers are focusing on developing small scale of the compressed air energy storage system (CAES) coupled to a building applications based on the work done for multiple large scale CAES systems installed in the world. A global numerical model of trigeneration CAES system coupled to a building model and renewable energy modules was developed in order to analyze the CAES system behavior responding to electrical, hot and cold energy building demand. Different energy scenarios (autonomous and connected to the grid modes), geographical locations and building typologies were proposed and analyzed. The CAES numerical model development is based on solving energy and heat transfer equations for each system component (compressor/expander, heat exchanger, high pressure air reservoir, thermal water storage tank). Adiabatic compressor and expander were firstly selected to investigate the trigeneration advanced adiabatic compressed air energy system (AA-CAES) coupled to the building and to grids with the different scenarios described above. Similar to adiabatic components, quasi-isothermal compressor and expander developed by LightSail Energy and Enairys Powertech were also analyzed by solving the energy and heat transfer equations for each phase of the compression and expansion processes. These analytical models allowed us to have a better understanding of these technologies operations and to have several orders of magnitudes of different physical parameters. I-CAES and AA-CAES were also compared from a financial point of view based on compressed air market analysis. Three different prototypes were studied: Two AA-CAES systems (ideal and virtual (some of which are based on commercial units found in the compressed air market)) and one I-CAES system (based on LightSail Energy CAES prototype).