Procédé thermochimique hybride pour le stockage d'énergie thermique et la cogénération de froid et de travail mécanique : preuve de concept expérimentale, simulations dynamiques et analyse exergétique

Hybrid thermochemical process for thermal energy storage and cogeneration of cold and mechanical work : experimental proof of concept, dynamic simulations and exergetic analysis.

• Auteur / Autrice : Hasan Ghazale
• Direction : Nathalie Mazet, Maxime Périer-Muzet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 18/11/2024
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan)
• Jury : Président / Présidente : Kévyn Johannes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kévyn Johannes, François Lanzetta, Vincent Lemort, Pierre Neveu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lavinia Grosu, Nolwenn Le Pierrès

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cogénération de chaleur et d'électricité

Chaleur -- Stockage

Mots clés libres

Procédé Thermochimique hybride

Prototype

Cogénération

Stockage thermique

Exergie

Simulation dynamique

Hybrid thermochemical process

Prototype

Cogeneration

Thermal storage

Exergy

Dynamic simulations

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du pilier efficacité énergétique. Le travail présenté vise à apporter une contribution modeste à la recherche considérable sur l'efficacité énergétique, en se concentrant sur l'utilisation de sources de chaleur à des températures inférieures à 250°C. Ces sources sont qualifiées «basse à moyenne température», en référence à leur utilisation limitée dans l'industrie. Étant donné que l'énergie de ces sources n'est souvent pas directement utilisable (sous forme de chaleur fatale), leur conversion est une perspective intéressante pour générer un effet utile pouvant être injecté sur le site ou dans un réseau d'énergie à proximité. Le processus thermodynamique examiné dans cette recherche permet la conversion de la chaleur à basse et moyenne température en deux effets utiles : froid (à basse température) et électricité, avec une fonctionnalité de stockage de la source de chaleur sous forme de potentiel chimique. Ce processus hybride sont conçus sur la base de l'intégration d'une machine d'extraction de travail appelée ''expandeur volumétrique'' dans un cycle thermochimique qui exploite une réaction chimique réversible entre un solide et un gaz pour produire du froid à partir d'une source de chaleur à basse et moyenne température. La fonctionnalité de stockage dans le cycle permet de séparer la phase de disponibilité de la source de chaleur de la phase de cogénération des effets utiles. Cette propriété est extrêmement avantageuse, car la ressource et la demande peuvent être très variables dans le temps. L'état de l'art présenté vise à positionner les cycles thermodynamiques hybrides impliquant un processus de sorption dans le contexte de la valorisation des sources de chaleur à basse température. Après avoir passé en revue les ressources existantes (notamment la chaleur fatale industrielle) et le potentiel de stockage de chaleur, le chapitre introduit les systèmes actuels qui génèrent de l'électricité et/ou du froid à partir de sources de chaleur à basse température, plaçant la discussion dans le contexte des solutions techniques existantes. Il souligne la recherche sur les « cycles de sorption hybrides » et identifie les lacunes expérimentales dans leur étude. Un prototype thermochimique hybride est développé à PROMES afin de réaliser la preuve de concept. Les premiers tests sur le cycle sont présentées. Après la preuve de concept en produisant simultanément du froid et de la puissance mécanique stable, l'effet de la température froide est étudié sur la dynamique du cycle et sur sa cogénération. Une analyse analytique du couplage est également effectuée. Dans un deuxième temps, une analyse numérique et expérimentale du cycle hybride est faite. L'effet de la charge électrique couplée au générateur à l'expandeur est étudié. La dynamique du cycle et sa cogénération sont analysées pour différentes charges électriques couplées. Les principales limitations affectant la production dans le cycle sont mises en évidence. Le modèle numérique en régime permanent est validé, et une étude de sensibilité sur les paramètres limitants est réalisée. Un travail numérique détaillé sur le cycle est ensuite présenté. Le modèle énergétique dynamique (basé sur le 1ère principe) est mis en validation avec les résultats expérimentaux, en identifiant et en adaptant ses paramètres à ceux du prototype. Ensuite, un modèle exergétique est développé. Les destructions d'exergie dans le cycle sont estimées, en évaluant l'irréversibilité à chaque composant (basé sur le 2ème principe). Suite à une analyse exergétique pour minimiser la destruction d'exergie pendant la phase de production, la performance de la cogénération est améliorée. Enfin, la thèse se conclut par un résumé des travaux entrepris. Elle présente des perspectives basées sur cette recherche, y compris les développements potentiels pour le cycle et ses composants, l'intégration dans le monde réel, et de nouvelles configurations.

This thesis falls within the pillar of energy efficiency. The work presented in this manuscript is to make a modest contribution to the vast body of research on energy efficiency, focusing on the utilization of heat sources at temperatures below 250°C. These sources are referred as ''low-to-medium temperature'' heat sources, in reference to their limited exploitability in industry. Since the energy from these waste heat sources is often unusable directly, its conversion appears to be an interesting prospect for generating a useful effect that can be injected on-site or into a nearby energy network. The proposed and examined thermodynamic process in this research enable the conversion of low-to-medium temperature heat into two useful effects: cold (at low temperatures) and electricity, with a storage functionality of the heat source in the form of chemical potential. This so-called ''hybrid'' process is designed based on the integration of a work extraction machine called “volumetric expander” into a thermochemical cycle which exploits a reversible chemical reaction between a solid and a gas (in a reactor) to produce cold from a low-to-medium temperature heat source. The storage functionality in the cycle allows for the separation of the heat source availability phase from the phase of cogenerating useful effects (cold and electricity). This property is extremely advantageous because the timing of the resource and the demand can be very different. A state of the art is conducted to specifically position hybrid thermodynamic cycles involving a sorption process within the context of low-to-medium temperature heat source valorization. After reviewing existing resources (notably industrial heat waste) and the potential for heat storage, the chapter introduces current systems that generate electricity and/or cold from low-temperature heat sources, placing the discussion within the context of existing technical solutions. It highlights the research on “hybrid sorption cycles” and identifies the experimental gaps in their examination. The hybrid thermochemical prototype developed at PROMES (to achieve the proof of concept) is then presented. The first examinations on the cycle are presented. After the concept proof by producing simultaneously cold and stable mechanical power, the effect of cold temperature is studied on the dynamics of the cycle and on its cogeneration. Analytical analysis of the coupling is done too. After, numerical and experimental analyses of the hybrid cycle are done. The effect of the electrical charge coupled to the generator at the expander is studied. The dynamics of the cycle and its cogeneration are analyzed experimentally for different coupled electrical load. Main limitations affecting the production in the cycle are highlighted. The numerical model in steady state is validated, and a sensitivity study on the limiting parameters is done. Detailed numerical work on the cycle is performed. The dynamic energetic model (based on the 1st law) is set under validation with the experimental results, by identifying and adapting its parameters with the ones of the prototype. After, an exergetic model is developed. Exergy destructions in the cycle are calculated, by estimating the irreversibility at each component (based on the 2nd law). Following an exergetic analysis to minimize the exergy destruction during the production phase, the cogeneration performance is improved. Finally, the thesis concludes with a summary of the work undertaken. It outlines perspectives based on this research, including potential developments for the cycle and its components, real-world integration, and new configurations.