Analyse énergétique de procédés multi-fonctionnels (cogénération froid, électricité et stockage) : Approches numériques et expérimentales

-Energy analysis of multi-functional processes (cold and electricity cogeneration, and storage): Numerical and experimental approaches

• Auteur / Autrice : Hasan Ghazale
• Direction : Nathalie Mazet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'Ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le 17/09/2021
• 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)

Mots clés

Mots clés libres

Expérimentation sur pilote

Procédé à sorption

Cogénération

Simulation dynamique

Stockage thermochimique

Sorption processes

Heat recovery

Cogeneration of electricity and cold

Experimental tests

Dynamic simulations

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet de recherche ThermHYVal, accordé au laboratoire PROMES, financé par l'ANR, et qui débutera en 2021. Ce projet aborde plusieurs verrous énergétiques importants et d'actualité : la valorisation de chaleurs basse température (telles que l'énorme gisement de rejets thermiques industriels, l'énergie solaire basse concentration…), la problématique du stockage pour gérer les fluctuations à la fois des sources et des demandes énergétiques, et la demande croissante en électricité et en froid. Pour répondre à ces problématiques, le laboratoire a défini un procédé innovant intégrant à la fois une fonction stockage et aussi de cogénération de froid et d'électricité. Ce procédé combine un procédé à sorption (absorption ou thermochimique, qui assure les fonctions de stockage et production de froid) et un cycle moteur (similaire à un ORC, pour la production d'électricité). L'originalité d'un tel procédé appelé ‘hybride' ne se situe pas dans les composants eux-mêmes, qui sont relativement bien connus, mais dans l'architecture du procédé global les associant. Plusieurs architectures ont ainsi été identifiées, favorisant l'une ou l'autre des fonctionnalités visées (stockage, froid, électricité). Les verrous scientifiques se situent dans la compréhension et le contrôle des interactions entre les composants de ces procédés hybrides, l'adéquation de leurs modes opératoires, et l'optimisation des performances globales. Actuellement, les travaux du laboratoire ont permis de définir plusieurs architectures intéressantes, d'analyser leurs performances thermodynamiques en régime stationnaire, et de développer un premier modèle (et le code correspondant) pour analyser le comportement dynamique de ce système au cours de phases de stockage et de production (froid et/ou électricité). De plus, un prototype de système hybride sera opérationnel prochainement. Programme de travail Pour approfondir cette thématique, il est maintenant indispensable : 1. de réaliser des campagnes d'expérimentations sur le prototype, 2. d'analyser les performances globales du prototype, 3. de valider et/ou affiner le modèle dynamique existant à partir de ces expérimentations, 4. d'utiliser le modèle ainsi validé pour analyser les irréversibilités principales et optimiser les performances de ces procédés hybrides, à la fois en termes de dimensionnement, de conditions opératoires, et du contrôle du cycle global, 5. d'analyser la pertinence de ces procédés pour différents cas d'applications (en collaboration avec le LGC-Toulouse spécialiste de ce domaine et partenaire de ce projet). Ce travail de recherche est donc à la fois expérimental et numérique. Il s'intègre totalement dans le thème « multi-génération et stockage » du laboratoire PROMES. De plus, il sera mené dans le cadre du projet collaboratif ANR-ThermHyVal avec le soutien des membres des laboratoires PROMES et LGC impliqués dans ce projet.

This thesis is part of the ThermHYVal research project, awarded to the PROMES laboratory, funded by the ANR, and which will begin in 2021. This project addresses several important energy barriers: the recovery of low temperature heat (such as the huge amount of industrial waste heat, or low concentration solar energy, etc.), the problem of storage to manage fluctuations in both energy sources and demands, and the growing demand for electricity and cooling. To address these issues, the laboratory has defined an innovative process integrating a storage function and a cogeneration of cold and electricity. This process combines a sorption process (absorption or thermochemical, which allows the thermal storage and cold production ) and a thermodynamic cycle (similar to an ORC, for the production of electricity). The originality of such a process called 'hybrid' does not lie in the components themselves, which are relatively well known, but in the architecture of the overall process involving them. Several architectures have thus been identified, favoring one or the other of the targeted functionalities (storage, cooling, electricity). The scientific bottlenecks lie in the understanding and control of the interactions between the components of these hybrid processes, the adequacy of their operating modes, and the optimization of overall performance. Currently, previous works at the lab allow defining several interesting architectures, analyzing their thermodynamic performance in a stationary regime, and developing a first model (and the simulation code) to analyze the dynamic behavior of this system during storage and production phases (of cold and / or electricity). In addition, a hybrid system prototype will be operational soon. To deepen this investigations, it is now essential: 1. to carry out experimental campaigns on the prototype, 2. to analyze the overall performance of the prototype, 3. to validate and / or refine the existing dynamic model, thanks to these experimental results 4.to use the model to analyze the main irreversibilities and optimize the performance of these hybrid processes, both in terms of sizing, operating conditions, and overall cycle control, 5. to analyze the relevance of these processes for different application cases (in collaboration with LGC-Toulouse, specialist in this field and a partner of this project). This research work is therefore both experimental and numerical. It is fully integrated into the 'multi-generation and storage' topic of the PROMES laboratory. In addition, it will be carried out as part of the collaborative project ANR-ThermHyVal, with the support of members of the PROMES and LGC laboratories involved in this project.