Cycle de compression de vapeur piloté par PV, en intégrant un système de stockage thermochimique solide-gaz pour les applications de production de froid

PV-driven vapor compression cycle integrating a solid-gas thermochimecal storage for cooling applications

• Auteur / Autrice : Franco Ferrucci
• Direction : Pascal Ortega, Driss Stitou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, génie des procédés (CNU 62) et Génie électrique, électronique, photonique et systèmes (CNU 63)
• Date : Soutenance le 24/03/2020
• Etablissement(s) : Polynésie française
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale du Pacifique (Faaa ; 2005-....)

Mots clés

Mots clés libres

Micro-Réseau

Milieu insulaire

Tahiti

Energie renouvelable

Modélisation statique

Parc de batteries

Microgrid

Insular environment

Tahiti

Renewable energy

Static dynamic modelization

Battery array

Résumé

Les régions insulaires et tropicales qui souhaitent réduire leurs importations d'hydrocarbure afin d'accroître leur autonomie énergétique et lutter contre le changement climatique sont confrontées à un certain nombre de défis propres à leur configuration. Pour la production d'énergie par exemple, ces îles possèdent une variété de sources d'énergies propres et renouvelables issues du soleil, du vent, de l'océan et parfois des reliefs (souvent escarpés) mais leur exploitation reste encore limitée en raison de la fragile stabilité des réseaux électriques existants. En effet, ces réseaux, généralement de petites tailles (quelques kW à la centaine de MW) et totalement isolés, supportent mal l'introduction de sources d'énergie dont laproduction est intermittente et non contrôlable. Le stockage d'énergie couplé à un système intelligent de gestion des flux d'énergie est une solution qui permet de palier l'intermittence et garantir la sécurité des réseaux. Ces systèmes hybrides de production/stockage d'énergie ou encore « micro-réseaux électriques intelligents » devraient permettre d'augmenter considérablement le taux de pénétration des énergies renouvelables disponibles dans les réseaux insulaires. Côté demande d'énergie électrique, à l'instar de la Polynésie française, une grande partie de la consommation d'électricité (≈40%) est utilisée pour le refroidissement des locaux en raison des températures élevées et d'une forte hygrométrie. C'est dans ce contexte que s'est construit ce travail de thèse dont l'objectif est de proposer un système de climatisation alimenté par de l'énergie photovoltaïque et qui combine un système de réfrigération à compression mécanique de vapeur et une unité de stockage thermochimique. Les procédés thermochimiques permettent de stocker de l'énergie potentielle chimique grâce à une source d'énergie extérieure. L'énergie stockée peut ensuite être utilisée pour produire du froid sans apport d'énergie extérieure. C'est dans le réacteur thermochimique que se produit la réaction chimique réversible entre un composé solide et un gaz. Lapaire solide / gaz utilisée dans cette étude est le sel de chlorure de baryum (BaCl2) réagissant avec l'ammoniac (NH3), qui est également le fluide de refroidissement dans le circuit de réfrigération. Dans notre système, c'est le compresseur de la pompe à chaleur qui sert non seulement à produire du froid pour répondre à une demande de climatisation, mais également à déclencher la désorption du sel chargé d'ammoniac dans le réacteur thermochimique (phase stockage). Durant ces deux phases, production et stockage de froid, le compresseur est alimenté par de l'énergie solaire. En absence de soleil, le soir ou par temps couvert, le système change de configuration et le froid est produit par adsorption du gaz d'ammoniac de l'évaporateur vers le réacteur qui contient le sel. L'étude du système est présentée en trois étapes distinctes. Tout d'abord, on effectue une analyse en régime permanent du fonctionnement du système hybride. On évalue alors son efficacité et on la compare à des processus alternatifs qui utilisent, pour la production de froid, soit un stockage électrochimique (plombacide, batteries lithium-ion) soit un stockage thermique (chaleur sensible ou latente). Ensuite, on développe une étude basée sur des simulations dynamiques qui permettent d'analyser le comportement du système en fonction du temps et d'améliorer la compréhension du processus. Ces simulations sont basées sur une description mathématique (équations différentielles) de chacun des éléments du système. Enfin, l'étude est validée grâce à la réalisation d'un prototype expérimental qui permet de démontrer efficacement la faisabilité du concept. Il convient de mentionner que le prototype utilise un compresseur mécanique alternatif standard conçu pour exécuter un cycle de compression de vapeur mécanique conventionnel avec de l'ammoniac comme réfrigérant.

The energy situation in tropical insular regions, as is found in French Polynesia, presents a number of challenges, including heavy dependence on imported fuel, high transport costs from the mainland and weak electricity grids. By contrast, these regions possess a variety of renewable energy resources, which are favorable for the exploitation of smart micro grids and energy storage technologies. With regards to electrical energy demand, the high temperatures commonly seen in these regions throughout the entire year implies that a large proportion of electricity consumption (~40%) is used for space cooling, evenduring evening hours. Framed within this context, this thesis presents an air conditioning system driven by photovoltaic electricity that combines a mechanical vapor refrigeration system and a thermochemical storage unit. Thermochemical processes enable the storage of energy in the form of chemical potential with virtually no losses, which can be used to produce cold during the evening hours without running a compressor. These processes are implemented using thermochemical reactors, in which a reversible chemical reaction between a solid compound and a gas takes place. The solid/gas pairs are ammoniated salts reacting with ammonia (NH3), which is also the coolant fluid in the refrigeration circuit. In this study, the barium chloride salt (BaCl2) is chosen but other salts can be used depending on the cooling application In the proposed system, a photovoltaic-driven electric compressor is used during the day either to run the refrigeration circuit when a cooling demand occurs or to decompose the ammonia-charged salt and to remove the gas from the thermochemical reactor when there is no cooling requirement. During the evening, when there is no electricity from solar sources, the system changes its configuration and the reactor reabsorbs the ammonia gas from the evaporator to produce cold. The system is analyzed in three distinct stages. Firstly, a steady-state analysis of the system’s operating condition is performed and the efficiency of this hybrid system is evaluated and compared with alternative processes, which utilize either electrochemical (lead-acid, lithium-ion batteries) or thermalstorage (ice, chilled water) for cold production. Secondly, a study based on dynamical simulations is developed, which allows for the analysis of the system’s behavior as a function of time, providing a better understanding of the process. These simulations are based on the mathematical description (i.e. differential equations) that characterizes each of the system’s components. Finally, in order to demonstrate the technical feasibility of such a process, the system is further investigated through theimplementation of an experimental prototype. It is worth mentioning that the prototype utilizes a standard mechanical reciprocating compressor designed to run a conventional mechanical vapor compression cycle with ammonia as refrigerant.