Eco-conception d'un échangeur-stockeur thermique

par Diane Le Roux

Projet de thèse en Sciences de l'Ingénieur

Sous la direction de Régis Olivès et de Pierre Neveu.

Thèses en préparation à Perpignan , dans le cadre de École doctorale Énergie environnement , en partenariat avec Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan) (laboratoire) et de SHPE - Stockage pour Hélioprocédés Photochimique et Energétique (equipe de recherche) depuis le 30-09-2019 .


  • Résumé

    Pour le déploiement des EnR ou des systèmes industriels efficaces et sobres énergétiquement, le recours au stockage en particulier thermique devient une nécessité. Uniquement sur la Région Occitanie, le gisement de récupération de chaleurs fatales sur une gamme de température de 100 à 800°C est de 2,1 TWh dont 34% provenant des procédés de traitement des minéraux non-métalliques (Ademe). Du fait de la transition énergétique et écologique, l'enjeu réside dans la mise en œuvre et l'exploitation de systèmes techniquement performants, vérifiant un modèle économique viable et respectueux de l'environnement. De par ces différents aspects, il s'agit dès lors d'établir les critères de dimensionnement et d'optimisation de modules de stockage de chaleur et d'évaluer leur pertinence en termes d'éco-conception et d'analyse de cycle de vie. L'objectif est de proposer un outil d'aide à la décision et à la sélection des différents éléments constituant un échangeur-stockeur thermique répondant aux critères énergétiques, économiques et environnementaux. Nous nous focaliserons sur les systèmes de stockage thermique de type thermocline pouvant être intégrés dans les centrales solaires à concentration ou sur site industriel pour la récupération de chaleurs fatales entre 100°C et 800°C. Sur les aspects énergétiques, l'étude consistera à analyser les transferts de chaleur et de masse dans les échangeurs-stockeurs mettant en œuvre des matériaux de stockage par chaleur sensible et/ou latente, l'influence du type d'extraction ou d'apport de la chaleur (fluide caloporteur, promoteur de transfert, diffuseur...) et l'importance de la configuration architecturale. la maîtrise des transferts pourra mettre en exergue les paramètres les plus influents. L'analyse de la sensibilité des paramètres servira ainsi à l'optimisation énergétique. Cette maîtrise passe aussi par l'adaptation des propriétés thermophysiques requises par les matériaux aux contraintes de cycles thermiques. L'analyse thermodynamique doit contribuer à orienter le choix de l'architecture du réseau fluide et du (ou des) matériau(x) de stockage. Ainsi, l'approche sera basée sur la notion d'exergie (partie mécanisable de l'énergie) qui prend en compte aussi bien les flux de chaleur que leur niveau de température associé. La qualité des transformations de l'énergie thermique sera analysée pour mettre en évidence les phénomènes responsables de la dégradation de l'énergie et pouvoir proposer des configurations optimales. L'efficacité exergétique est, dans ce cas, un indicateur particulièrement adapté. Tout en tenant compte de la compatibilité fluide-matériaux de stockage et en intégrant les contraintes liées aux propriétés thermiques et mécaniques de l'enveloppe, l'étude devra alors expliciter les critères menant au dimensionnement de l'échangeur-stockeur. Sur les aspects environnementaux, l'évaluation comparée des impacts du cycle de vie des modules de stockage définis précédemment devra renseigner différents critères ('énergie grise, temps de retour énergétique, émissions de CO2 associées et évitées, temps de retour CO2), ainsi que ceux relatifs à d'autres impacts environnementaux (épuisement des ressources, santé humaine...). Dans cette analyse de cycle de vie, la valorisation de déchets, l'utilisation de matières premières secondaires et la fin de vie du système feront l'objet d'une attention particulière. La définition de l'unité fonctionnelle sera basée sur l'analyse exergétique afin de prendre en compte non seulement la quantité de chaleur délivrée par le stockage mais aussi le niveau de température. L'inventaire sera réalisé à partir des bilans matière et énergie sur l'échangeur-stockeur mettant en évidence les différentes contributions des constituants du stockage. Le modèle de cycle de vie établi, il s'agira d'analyser les impacts selon les critères et les indicateurs adaptés aux systèmes énergétiques et de mener à bien l'interprétation des résultats. Sur les aspects économiques, la modélisation complètera l'étude avec l'analyse du coût actualisé de l'énergie stockée et du coût courant économique du stockage. Sur la base des critères de dimensionnement et des paramètres influents, cette étude devra mettre en évidence les composantes économiques discriminantes. L'objectif sera aussi d'estimer la valeur économique apportée par le stockage au système énergétique tant en terme de réduction des consommations pour assurer les pointes qu'en terme de restitution à puissance constante à partir d'une source discontinue. Enfin, dans le cadre de l'optimisation multi-critère et de l'éco-conception, Il s'agira de proposer un ensemble de critères pertinents qui tiennent compte des résultats obtenus précédemment. L'objectif final est d'obtenir un outil d'aide à la décision qui permette de concevoir et de développer des échangeurs-stockeurs optimisés qui ne soient plus uniquement basés sur des critères techniques mais qui intègrent également le principe de développement durable.

  • Titre traduit

    Eco-design of heat exchanger-storage


  • Résumé

    For the deployment of renewable energy or energy-efficient industrial systems, the use of storage in particular thermal becomes a necessity. Occitanie region only, the waste heat recovery field over a temperature range of 100 to 800 ° C is 2.1 TWh of which 34% from processes of non-metallic mineral treatment (Ademe). Due to the energy and ecological transition, the challenge lies in the implementation and operation of technically efficient systems, verifying a viable economic model that respects the environment. With these different aspects, it is therefore necessary to establish the criteria for sizing and optimizing thermal energy storage modules and to evaluate their relevance in terms of eco-design and life cycle analysis. . The objective is to propose a tool for decision support and the selection of the different elements constituting a heat exchanger-storage unit meeting the energy, economic and environmental criteria. We will focus on thermocline-type thermal storage systems that can be integrated into concentrated solar power plants or industrial sites for the recovery of waste heat between 100 ° C and 800 ° C. On the energy aspects, the study will consist in analyzing heat and mass transfers in heat exchanger-storage using sensible and / or latent heat storage materials, the influence of the type of extraction or input heat (heat transfer fluid, transfer promoter, diffuser ...) and the importance of the architectural configuration. The control of heat and mass transfers can highlight the most influential parameters. The sensitivity analysis of the parameters will thus be used for energy optimization. This control also involves the adaptation of the thermophysical properties required by the materials to the constraints of thermal cycles. The thermodynamic analysis must contribute to guide the choice of the architecture of the fluid network and (or) material (s) of storage. Thus, the approach will be based on the notion of exergy (mechanizable part of the energy) which takes into account both heat fluxes and their associated temperature level. The quality of thermal energy transformations will be analyzed to highlight the phenomena responsible for the degradation of energy and to be able to propose optimal configurations. The exergetic efficiency is, in this case, a particularly suitable indicator. While taking into account fluid-material compatibility of storage and by integrating the constraints related to the thermal and mechanical properties of the envelope, the study will then have to explain the criteria leading to the dimensioning of the heat exchanger-storage. With regard to environmental aspects, the comparative evaluation of the life cycle impacts of the storage modules defined previously will have to provide different criteria ('embodied energy, energy return time, associated and avoided CO2 emissions, CO2 recovery time') and those relating to other environmental impacts (depletion of resources, human health, etc.). In this life cycle assessment, the recovery of waste, the use of secondary raw materials and the end of life of the system will be the subject of particular attention. The definition of the functional unit will be based on the exergy analysis to take into account not only the amount of heat delivered by the storage but also the temperature level. The inventory will be made from the material and energy balances on the heat exchanger-storage, highlighting the different contributions of the storage components. As the life cycle model is established, it will be necessary to analyze the impacts according to the criteria and indicators adapted to the energy systems and to carry out the interpretation of the results. On the economic aspects, the modeling will complete the study with the analysis of the levelized cost of stored energy and the current economic cost of storage. On the basis of design criteria and influential parameters, this study should highlight the discriminating economic components. The objective will also be to estimate the economic value brought by storage to the energy system both in terms of reducing consumption to ensure peaks and in terms of restitution at constant power from a discontinuous source. Finally, in the context of multi-criteria optimization and eco-design, it will propose a set of relevant criteria that take into account the results obtained previously. The ultimate goal is to obtain a decision support tool that allows the design and development of optimized heat exchanger-storage systems that are not only based on technical criteria but also incorporate the principle of sustainable development.