Système de stockage d’énergie par dioxyde de carbone comprimé : modélisation thermodynamique et expériences

Carbon dioxide energy storage system : thermodynamic modelling and experiments

• Auteur / Autrice : Florent Dewevre
• Direction : Khaled Loubar, Sébastien Poncet, Clément Lacroix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie, thermique
• Date : Soutenance le 15/05/2025
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire en cotutelle avec Université de Sherbrooke (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et le numérique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Valorisation Energie-matière des Résidus et Traitement des Emissions - Laboratoire de Génie des procédés – environnement – agro-alimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Bellettre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Khaled Loubar, Sébastien Poncet, Clément Lacroix, Pascal Stouffs, Assaad Zoughaib, Leyla Amiri, Mylene Marin Gallego
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Stouffs, Assaad Zoughaib
• DOI : 10.70675/e0226ac1z85ecz45d7z9e60zaad5061d0e7d

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergies renouvelables

Thermodynamique

Dioxyde de carbone comprimé

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Stockage d’énergie

Dioxyde de carbone

Thermodynamique

Énergies renouvelables

Energy storage

Carbon dioxide

Thermodynamics

Renewables energies

Résumé

Les systèmes de stockage d’énergie par CO2 comprimé (CCES) permettent de convertir l’électricité en énergie mécanique et thermique. Ce type de système basé sur des cycles thermodynamiques, se distingue par leur simplicité, leur faible coût, l’utilisation de ressources non rares et le dimensionnement facile entre énergie et puissance. Un état de l’art de ces systèmes a souligné le manque d’études dynamiques et expérimentales. C’est ce sur quoi ont été axées les études résumées dans ce document. Un modèle dynamique de CCES a donc été élaboré. La dynamique de ce genre de procédé découle directement des variations de pression et de température au sein des stockages de CO2. Une étude paramétrique et une étude de cas prenant en compte des variations d’une production photovoltaïque et de consommation ont été réalisé. Les performances calculées sont significativement dégradées par le caractère dynamique du système. L’efficacité énergétique passant d’environ 50% dans la littérature scientifique aux environs de 25%. La densité énergétique est aussi réduite environ de moitié, passant aux alentours de 1-2 kWh.m-3 pour les systèmes n’utilisant pas de source externe de chaleur et ayant une source de froid à température ambiante. Le coût d’un tel procédé est donc également lourdement affecté. Un banc d’essai a également été conçu afin de comprendre la dynamique de remplissage et vidage de réservoir stockant pouvant comporter une phase liquide et gazeuse. Le modèle thermodynamique utilisé a ensuite été confronté aux résultats expérimentaux. Le modèle prédit correctement les évolutions de pression assez loin de la pression critique ou lorsque la température du CO2 stocké est homogène.

Compressed CO2 energy storage systems (CCES) can convert electricity into mechanical and thermal energy. This type of system, based on thermodynamic cycles, is characterised by its simplicity, low cost, use of non-scarce resources and easy sizing between energy and power. A literature review of these systems highlighted the lack of dynamic and experimental studies. This was the focus of the studies summarised in this document. A CCES dynamic model was therefore developed. The dynamics of this type of process are a direct result of variations in pressure and temperature within CO2 storage tanks. A parametric study and a case study taking into account variations in photovoltaic production and consumption were carried out. The calculated performances are significantly degraded by the dynamic nature of the system. Energy efficiency drops from around 50% in the scientific literature to around 25%. The energy density is also reduced by half, to around 1-2 kWh.m-3 for systems that do not consume external heat source and using a cold source at ambient temperature. The cost of such a process is therefore also heavily affected. Then, a test rig was designed to understand the filling and emptying dynamics of a storage tank that may include a liquid and gaseous phase. The thermodynamic model used was then compared with the experimental results. The model correctly predicts pressure changes far enough from the critical pressure or when the temperature of the stored CO2 is homogeneous.