Analyse thermodynamique et performances dynamiques de cycles hybrides impliquant des procédés à sorption

par Alexis Godefroy

Thèse de doctorat en Sciences de l'Ingénieur

Sous la direction de Nathalie Mazet et de Maxime Périer-Muzet.

Soutenue le 05-11-2020

à Perpignan , dans le cadre de École doctorale Énergie environnement (Perpignan) , en partenariat avec Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan) (laboratoire) et de Procédés, Matériaux et Energie Solaire (laboratoire) .


  • Résumé

    L’accroissement de la variabilité temporelle de la production et de la consommation d’énergie et la multiplication des vecteurs énergétiques sont des déterminants du contexte énergétique à venir. Une approche possible pour gérer ces contraintes est le développement de systèmes multifonctionnels (multi-effets utiles) incluant une fonction de stockage d’énergie. Pour développer de tels systèmes, ce travail propose de coupler deux cycles thermodynamiques afin de combiner leurs fonctionnalités : le cycle innovant ainsi réalisé, dit « hybride », associe multifonctionnalité, flexibilité et compacité. L’un des cycles hybrides envisageables est le cycle thermochimique hybride, construit à partir (i) du cycle tritherme à sorption solide/gaz (cycle thermochimique), qui permet de stocker une énergie thermique (sous forme de potentiel chimique) et de produire un effet frigorifique à la demande, et (ii) du cycle organique de Rankine (ORC), qui est le cycle ditherme le plus performant pour la production de travail mécanique à partir d’une source de chaleur à basse température.Un état de l’art des travaux existants sur les cycles thermodynamiques hybrides impliquant un procédé à sorption a été réalisé. Il a démontré leur fort potentiel de valorisation d’énergie thermique à basse température (i.e. inférieure à 250 °C) sous la forme d’une cogénération de froid et travail mécanique, mais a également mis en évidence la nécessité d’élargir la gamme de réactifs et les configurations de cycles et d’approfondir l’analyse du comportement dynamique de ces cycles.Ainsi, la première partie de cette thèse a porté sur le développement d’une analyse thermodynamique large du cycle thermochimique hybride utilisant l’ammoniac comme gaz réactif et fluide de travail, focalisée sur les sources chaudes à moins de 250 °C (correspondant à la valorisation de chaleur à basse température) : 5 modes de fonctionnement du cycle ont été identifiés et leurs performances énergétiques et exergétiques ont été évaluées pour un grand nombre de sels réactifs solides. Parmi ces cinq modes permettant la cogénération de froid et travail mécanique, 3 privilégient la production de froid: leur proportion de travail mécanique produit varie de 0 à 30 % et leurs rendements énergétique et exergétique atteignent respectivement 0,61 et 0,40. Pour les 2 autres modes, la production de travail est privilégiée : la proportion de travail produit varie entre 50 et 100 % et les rendements énergétique et exergétique atteignent respectivement 0,24 et 0,40. Dans la gamme de réactifs analysée, la température de source chaude minimale requise est 87 °C, et la densité énergétique de stockage (rapportée au volume total de stockage) atteint 170 kWh/m3. L’analyse thermodynamique a été complétée par une comparaison des performances du cycle hybride avec celles d’un système construit à partir de procédés commercialisés et équivalent en termes de fonctionnalités (stockage de la chaleur à basse température et cogénération de froid et électricité).Dans un second temps, le comportement dynamique du cycle thermochimique hybride a été analysé afin d’approfondir la problématique du couplage entre l’organe de détente et le réacteur du cycle, qui constitue un verrou scientifique majeur. Pour ce faire, des modèles de comportement dynamique ont été développés pour chacun des composants du cycle, puis pour le cycle complet. A partir de ces modèles, un outil de simulation numérique du comportement dynamique global a été développé. Trois méthodes de contrôle de l’organe de détente ont été proposées (pression de refoulement, vitesse de rotation ou puissance mécanique constante) et intégrées à cet outil de simulation. Ces simulations ont permis de quantifier les effets de la stratégie de pilotage de ce composant sur la dynamique (températures, pressions, débits, puissances) et les performances globales du cycle, en vue d’une application expérimentale.

  • Titre traduit

    Thermodynamic analysis and dynamic performances of hybrid cycles involving sorption processes


  • Résumé

    The increasing time-variability of energy supply and demand, along with the increasing number of energy carriers, are decisive issues in the upcoming energy context. One way to address these issues is to develop multi-purpose systems (i.e. systems providing several useful effects) integrating an energy storage feature. Developing such systems can be achieved by coupling two thermodynamic cycles in order to combine their respective features: the resulting innovative cycle, which is called a “hybrid” cycle, combines multifunctionality, flexibility and compactness. One relevant hybrid cycle is the hybrid thermochemical cycle: it is built upon (i) the three-temperatures solid/gas sorption cycle (thermochemical cycle), which enables storage of the input thermal energy (in the form of chemical energy) and provides a refrigeration effect, and (ii) the organic Rankine cycle (ORC), which is the most efficient two-temperatures cycle for providing mechanical work from a low-grade heat source.A state of the art in the field of hybrid thermodynamic cycles involving a sorption process is achieved. It points out the promising potential of these cycles for the cogeneration of power and cold from a low-grade heat source (at temperatures under 250 °C), as well as the need for investigations in a larger range of reactants and cycle configurations and for a deeper understanding of their dynamic behavior. The first part of this thesis work deals with the development of a wide thermodynamic analysis of the hybrid thermochemical cycle using ammonia as reactive gas and working fluid, focusing on heat source temperatures under 250 °C (low-grade heat sources) : 5 operating modes of the hybrid thermochemical cycle are identified and their energy and exergy performances are assessed for a wide range of solid reactive salts. Among these five modes providing power and cold cogeneration, 3 have a prevailing cold production: their share of mechanical work in useful effects ranges from 0 to 30 % and their energy and exergy efficiencies reach 0.61 and 0.40, respectively. The 2 other modes have a prevailing power production: their share of mechanical work in useful effects ranges from 50 to 100 % and their energy and exergy efficiencies reach 0.24 and 0.40, respectively. The minimal heat source temperature required for running the hybrid cycle is 87 °C and the energy storage density (related to the total volume of storage components) reaches 170 kWh/m3. The thermodynamic analysis is enriched through a comparison of the performances of hybrid thermochemical cycle with those of an alternative system made of well-known commercially available processes, providing the same features (low-grade heat storage and conversion into power and cold).At a later stage, an analysis of the dynamic behavior of hybrid thermochemical cycle is proposed to deepen the coupling between the expansion device and the reactor of the cycle, which is a key scientific issue. To this end, dynamic models are built for each component and then for the whole cycle. Starting from these models, a numerical tool is developed for the simulation of the overall dynamic behavior of the cycle. For the expansion device, three control procedures are proposed (constant exhaust pressure, constant rotation speed or constant mechanical power) and included in the numerical simulation tool: this enables quantifying the effects of the driving strategy of the expansion device on the dynamics (temperatures, pressures, flow rates and powers) and global performances of the cycle, which is needed for the upcoming experimental setup.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Perpignan Via Domitia. Service commun de la documentation. Section Sciences.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.