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Procédé thermochimique pour le stockage intersaisonnier de lénergie solaire : modélisation multi-échelles et expérimentation dun prototype en air humide.

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1 Procédé thermochimique pour le stockage intersaisonnier de lénergie solaire : modélisation multi-échelles et expérimentation dun prototype en air humide Soutenance de Thèse présentée par : MICHEL Benoit Co-direction : MAZET Nathalie NEVEU Pierre Le 8 octobre 2012, Perpignan

2 2 Développement dun procédé de stockage thermochimique pour le chauffage de lhabitat Caractérisations transferts de masse dans un milieu poreux Prototype de stockage thermochimique sous Air Humide Analyse modes fonctionnement (Air Humide / Vapeur Pure) Modèles du réacteur thermochimique

3 3 Objectif du stockage intersaisonnier Possibilité daugmenter la couverture solaire des besoins par un stockage longue durée (intersaisonnier) de lénergie solaire Projet ANR STOCK-E ESSI Evaluation comparée des Systèmes de Stockage Intersaisonnier pour le chauffage de lhabitat. Exemple : 100 m 2 de plancher, 20 m 2 de capteurs de solaire, climat de Strasbourg En hiver En hiver : déficit solaire : 49 % des besoins thermiques non couverts En été En été : Excédent solaire représente 60 % des besoins thermiques dhiver

4 4 Stockage de chaleur par procédés à sorption Densité énergétique prototypes (kWh.m -3 ) ECN CETHIL MONOSORP (ITW) MODSTORE (AEE-INTEC) HYDES (AEE-INTEC) SPF SOLUX (PROMES) TCA (SERC) SOLVAY (LOCIE) ESSI : hors isolation (PROMES) Densité énergétique réactif (kWh.m -3 ) Peu de pertes thermiques dans le temps (stockage sous forme de potentiel chimique) Densité énergétique élevée ESSI : avec isolation (PROMES) Cible (demande de lhabitat) : 0,2 à 0,8 W/kg Trois catégories Absorption, Adsorption et Thermochimique Objectif : Réalisation prototype stockage thermochimique intersaisonnier Forte densité énergétique du réacteur : 400 kWh.m -3

5 5 Fonctionnement du stockage thermochimique Synthèse Décomposition Réaction chimique renversable entre un solide et un gaz : synthèse (hydratation) exothermique décomposition (déshydratation) endothermique Pression (Pa) Equilibre liquide/vapeur Equilibre Solide/gaz Synthèse Exothermique Décomposition Endothermique Température (°C)

6 Été Déshydratation Stockage : peu de pertes de chaleur dans le temps 6 Fonctionnement du stockage thermochimique H 2 O vapeur H2OH2O Chaleur perdue Q capteurs Capteurs solaires + 5ΔHr + 5H 2 O Q capteurs SrBr 2,1H 2 O SrBr 2,6H 2 O Equilibre Solide/gaz Equilibre liquide/vapeur Pression (Pa) Chaleur perdue Décomposition Endothermique Synthèse Exothermique Température (°C)

7 Q chauf 7 Fonctionnement du stockage thermochimique H 2 O vapeur H2OH2O SrBr 2,1H 2 O SrBr 2,6H 2 O Chaleur ambiante ou du sol Q chauf Hiver Hydratation Chauffage de la maison + 5H 2 O + 5ΔHr Equilibre Solide/gaz Equilibre liquide/vapeur Pression (Pa) Chaleur ambiante ou du sol Décomposition Endothermique Synthèse Exothermique Température (°C) H2OH2O

8 8 Fonctionnement du stockage thermochimique Système fonctionnant en vapeur pure : Source froide Pression deau faible ( 1000 Pa) Système fonctionnant sous flux dair humide pression atmosphérique Température (°C) Pression (Pa) Equilibre liquide/vapeur Equilibre Solide/gaz Décomposition Endothermique Synthèse Exothermique T chauffage = 35 °C T ext 5°C

9 9 Caractérisations Prototype Analyse système Modèles - Dimensionnement (1D) - Analyse (2D)

10 10 Modèles : Schémas en hydratation Entrée dair froid et humide Sortie dair chaud et moins humide Vapeur deau Air sec Modèle général : 2D air humide Sel réactif k s (X), λ(X) Entrée dair humide Sortie dair moins humide Modèle 1D air humide (front raide) Front de réaction Air sec Vapeur deau k0k0 k1k1 Entrée deau (vapeur pure) Collecteur de chaleur Diffuseur de gaz Vapeur deau Modèle 2D vapeur pure λcλc k dif Sel réactif k s, λ Sortie de chaleur

11 Hypothèses principales : - Milieu pseudo-homogène T sel = T air = T eau - Transfert de masse loi de Darcy : Conservation de la matière : et Conservation de lénergie : Air humide Vapeur deau Cinétique de la réaction : 11 Equations constitutives des modèles Modèle général : 2D air humide avec

12 Equations constitutives des modèles Hypothèses principales : - Milieu pseudo-homogène T sel = T air = T eau = constante - Transfert de masse loi de Darcy : limitation exclusive - Régime quasi-stationnaire - Cinétique de réaction non limitante front raide de réaction à léquilibre thermodynamique : p vf = p eqSG (T c ) Conservation de la matière : Air humide 12 Modèle 1D air humide (front raide) Air humide Vapeur deau avec et Conservation de lénergie : Cinétique de la réaction :

13 Hypothèses principales : - Milieu pseudo-homogène T sel = T air = T eau = constante - Transfert de masse loi de Darcy : limitation exclusive - Régime quasi-stationnaire - Cinétique de réaction non limitante front raide de réaction à léquilibre thermodynamique : p vf = p eqSG (T c ) Conservation de la matière : 13 Equations constitutives des modèles Air humide Solution analytique : t(X) avec + Conditions limites Modèle 1D air humide (front raide)

14 Hypothèses principales : - Milieu pseudo-homogène T sel = T eau - Transfert de masse loi de Darcy : - Pas de gaz inerte (uniquement vapeur deau) x v = 1 et ρ a = 0 (avec ρ h = ρ a + ρ v = ρ v ) Equations constitutives des modèles Modèle 2D vapeur pure Conservation de la matière : et Conservation de lénergie : Cinétique de la réaction : 14 avec Vapeur deau

15 15 Temps (h) Avancement Validation Avancement 2 ème hydratation 3 ème hydratation 7 ème hydratation Temps (h) Avancement Validation Modèle 2D air humide Prototype Validation Modèle 1D air humide (front raide) Banc de caractérisation Exp Modèle

16 16 Caractérisations - Paramètres transferts - Mises en œuvre Prototype Analyse système Modèles - Dimensionnement (1D) - Analyse (2D)

17 p atm T Porte échantillon Batterie chaude Humidificateur / Déshumidificateur Lit poreux réactif ΔpΔp p t = p atm + Δp Ventilateur Δp = 500 Pa = 600 m 3.h Banc de caractérisations Objectif : Caractériser transferts de masse selon la mise en œuvre Maximiser Dec tout en gardant un bon k(X) évolution antagoniste - Mesure perméabilité en cours de réaction (k(X)) Débit traversant léchantillon Δp aux bornes de léchantillon - Mesure avancement de la réaction Evolution de la masse de léchantillon Supports perforés Lit réactif Mesure T, p

18 Lit de grains de sel : différentes Dec (jusquà 600 kWh/m 3 ) Bons résultats Dec 400 kWh/m 3 et P m 5 W/kg Composites (avec mousse, vermiculite, diffuseur) P as damélioration des résultats : faibles Dec ou P m 18 Élaboration de différentes mises en œuvres

19 Temps(h) Avancement Cyclage dun échantillon (Dec 430 kWh/m 3 et P m 2 W/kg) : 7 cycles hydratation/déshydratation Caractérisations dun lit de grains de sel Avancement Perméabilité (10 12 * m 2 ) Vitesse de réaction, Perméabilité : Pas dévolution significative au-delà du 2 nd cycle Structure du le lit réactif semble stable au cours du cyclage 19 p vi (Pa)Groupe 1 Groupe 2 T vi (°C) Equilibre Solide/Gaz Groupe 1 Groupe 2

20 Densité énergétique vs perméabilité Perméabilité k 0 ( * m 2 ) ,1 Perméabilité k 1 ( * m 2 ) Dec (kWh.m -3 ) 20 Caractérisations dun lit de grains de sel Lit de sel déshydraté Lit de sel hydraté k diminue plusieurs ordres de grandeurs lorsque Dec x2 k 0 un ordre de grandeur supérieur à k 1 P m mesurées correspondant aux puissances cibles k > m 2 (Dec jusquà 450 kWh.m -3 )

21 21 Prototype Analyse système Caractérisations - Paramètres transferts - Mises en œuvres Modèles - Dimensionnement (1D) - Analyse (2D)

22 22 Prototype Analyse système - Fonctionnement VP et AH - Analyse des limitations - Analyse des performances Caractérisations - Paramètres transferts - Mises en œuvres Modèles - Dimensionnement (1D) - Analyse (2D)

23 23 Analyse système : choix du mode opératoire Objectif : déterminer le mode opératoire le mieux approprié - Vapeur Pure - Flux dAir Humide Collecteurs de chaleur Diffuseurs de gaz Entrée vapeur deau Sortie de chaleur Entrée vapeur deau Modèle 2D air humideModèle 2D vapeur pure Comparaison à partir des modèles 2D

24 24 Paramètres et géométrie Collecteurs de chaleur Diffuseurs de gaz λ c = 330 W.m -1.K -1 k dif = m 2 Sel réactif : - Dec = 450 kWh.m -3 - λ eff = 0,38 W.m -1.K -1 - k s = 21, m 2 Entrée vapeur deau : p vi = 1650 Pa Sortie de chaleur : T j = 35 °C Entrée vapeur deau : p vi = 1650 Pa T = 25 °C Sel réactif : - Dec = 450 kWh.m -3 - λ eff 0 = 0,22 W.m -1.K -1 - λ eff 1 = 0,61 W.m -1.K -1 - k 0 = m 2 - k 1 = 3, m 2 - Δp = 500 Pa Modèle 2D air humideModèle 2D vapeur pure Banc caractérisation transfert + contraintes choix paramètres Modèle VTP décrit dans manuscrit géométrie optimale réacteur Vapeur Pure f opt = H/L = 0,71 L = 16 cm Zs = 5cm L = 16 cm Zs = 5cm

25 25 Limitation de la réaction : champs davancement Entrée dair humide Entrée de vapeur Sortie de chaleur X g = 0,14 Déplacement front de réaction Réacteur air humideRéacteur vapeur pure Vapeur pure : Front réaction se déplace du collecteur de chaleur vers diffuseur gaz. Transfert de chaleur conduction = limitation principale de la réaction Air Humide : Front réaction se déplace de lentrée dair vers la sortie Flux chaleur et gaz co-courant peut pas conclure sur le transfert limitant X g = 0,5 Sortie dair humide Avancement

26 26 Limitation de la réaction : production dentropie Production dentropie : Quantifier les irréversibilités qui se produisent dans le réacteur thermochimique Déterminer le phénomène limitant la réaction Productions dentropie dans le lit de sel réactif dues : Au transfert de masse Au transfert de chaleur A la réaction chimique

27 27 Limitation de la réaction : production dentropie Production dentropie (W.m -1.K -1 ) Réacteur air humideRéacteur vapeur pure Vapeur Pure : Transfert de chaleur limite la réaction Air Humide : Transfert de masse limite la réaction massique thermique chimique Avancement Etude évolution de ces limitation dans une gamme de paramètres de transferts (λ, k, …,) élargie (voir manuscrit) massique

28 28 W.m -1 Avancement Puissances de réaction des 2 modes opératoires Puissance de la réaction dhydratation Puissance réacteur vapeur pure > puissance réacteur air humide Puissance réaction supérieure aux puissances cibles Puissances cibles Comparaison de la puissance de réaction Q moy = 24,1 W.m -1 Q moy = 10,4 W.m -1 Bonnes performances réacteur air humide + Contraintes technologiques réacteur vapeur pure Réalisation prototype air humide

29 29 Prototype Caractérisations - Paramètres transferts - Mises en œuvres Modèles - Dimensionnement (1D) - Analyse (2D) Analyse système - Fonctionnement VP et AH - Analyse des limitations - Analyse des performances

30 30 Prototype - Conception - Expérimentation - Analyse Caractérisations - Paramètres transferts - Mises en œuvres Modèles - Dimensionnement (1D) - Analyse (2D) Analyse système - Fonctionnement VP et AH - Analyse des limitations - Analyse des performances

31 Aspect modulaire : Empilement de tiroirs contenant le lit réactif Composition dun tiroir Lit de grains de sel Zs = 7,5 cm Dec = 390 kWh.m kg sel / tiroir k 1 = m 2 et k 0 = m 2 Conception et dimensionnement du prototype 31 Grille perforée Tissu métallique Caissette Sel l=65 cm L=70 cm h=8 cm Sel hydraté Thermocouples

32 Réacteur 8 tiroirs 400 kg de sel hydraté (1/10 réacteur réel) capacité de stockage : 105 kWh Conception et dimensionnement du prototype 32 Tiroirs Dec réacteur = 190 kWh.m -3 (hors isolation) Dec prototype = 95 kWh.m -3 (avec isolation)

33 33 Fonctionnement du réacteur thermochimique

34 34 Fonctionnement du réacteur thermochimique

35 35 Fonctionnement du réacteur thermochimique

36 36 P P abs PT100 Fonctionnement du réacteur thermochimique Entrée / Sortie réacteur : Température Pression Réacteur : Température tiroir 5 : 10 thermocouples. tiroirs 1/3/6/8 : 2 thermocouples. tiroir 6 : 4 thermocouples. Avancement : Mesure variation masse Pesée séparée possible sur les tiroirs 2 et 7. Instrumentation

37 37 Ventilo Conduites rigides calorifugées Banc de test aéraulique Conduites souples Balance Sens du flux dair Filtre HR i, T i,M, p ti,M, HR j, T j,M, p tj,M, Débits banc aéraulique : 60 – 400 m 3 /h w j,M T amb, Hr amb, p amb Banc dessai aéraulique Réacteur Mode opératoire choisi Débit constant 300 m 3 /h

38 38 Expérimentations Aspects importants dun système stockage thermochimique intersaisonnier : Milieu réactif Fonctionnement Évolution, Reproductibilité au cours des cycles Performances du réacteur de stockage thermochimique Puissance Température en sortie

39 39 Avancement Temps (jours) Arrêt 10 jrs Arrêt 5 jrs Arrêt Tests variation, Faible / Fort écart à léquilibre Tests débit variable Fort écart à léquilibre Evolution globale du milieu réactif : cyclage 5 mois dexpérimentations 7 cycles hydratation/déshydratation

40 40 Avancement Temps (h) Evolution globale du milieu réactif : cyclage HydratationsDéshydratations Evolution de la vitesse de réaction au cours de cycles Semble se stabiliser au bout du 6 ème cycles Déshydratations

41 Causes évolution vitesse réaction au cours des cycles : - Conditions opératoires ? - Dégradation du milieu ? Modèle 2D Permet de différencier ces causes T i (°C) p vi (Pa)Débit (m 3 /h)k cin (s -1 ) 1 ère hydratation ème hydratation , ème hydratation ème hydratation ème hydratation , Evolution globale du milieu réactif : cyclage 41 Temps (h) Avancement Faible variation conditions opératoires Nécéssité didentifier k cin pour chaque manip diminue pour les 3 premiers cycles k cin identifié se stabilise ensuite Evolution vitesse réaction due à un facteur cinétique Exp Modèle

42 T sel suivent un palier puis tendent vers T i T palier = T de la réaction Front de réaction qui se déplace dans le lit Entrée dair T10 T16 T13 T12 T18 T9 T14 T15 T11 T17 Vue du dessus du tiroir 5 42 Evolution locale du milieu réactif 1 ère Déshydratation 4,9 1,8 3,3 6,7 T12 T13 T15 T14 Flux dair Coupe longitudinale du tiroir 5 T sel suivent un palier puis tendent vers T i T palier = T de la réaction Tiroir n°5 (milieu réacteur) Thermocouples T12 – T15 (milieu du tiroir) Front de réaction qui se déplace dans le lit Avancement Température (°C) Avancement 1 ère Hydratation Température (°C)

43 Début 4 ème hydratation X=1 X=0 X global = 0 0 7,5 Flux dair Evolution locale du milieu réactif : historique du lit réactif X=1 Zs (cm) T12 – T15 ne détectent pas le front de réaction Importance de lhistorique de la couche réactive Ne permet pas de conclure sur labsence de front de réaction Avancement Température (°C) Pas de front de réaction visible Début 5 ème déshydratation X global = 0,8 Début 5 ème hydratation X global = 0,3 Avancement Temps (h)

44 44 Température (°C) Temps (h) Température (°C) Sous flux Descendant Sous flux Ascendant Homogénéité du milieu réactif 1 ère Hydratation 1 ère Déshydratation Présence front de réaction T palier identique entre tiroirs Moins marqué dans tiroirs flux Ascendant Lit dilaté / fluidisé ? Non, fluidisation : Ф grains 500 μm Artefacts de mesures Thermocouples installés de bas en haut : Possible passage préférentiel de lair Température du milieu du lit de sel des différents tiroirs en fonction du temps Tiroirs relativement homogènes 500 μm Thermocouples

45 Modèle représente correctement T palier et front de réaction 45 Validation locale du modèle 2D 1 ère Déshydratation1 ère Hydratation Avancement Température (°C) Avancement k cin = s -1 k cin = s -1 Modèle validé globalement Localement : T modèle ne correspondent pas à lexpérimentation Pas de T palier Pas de front de réaction Expérimentation Modèle k cin identifiée certainement sous évaluée k cin identifiée sous évaluée

46 46 Validation locale du modèle 2D k cin locale k cin identifiée Fuites Fuites entre tiroirs, passages préférentiels Ralentissement réaction Pas pris en compte par modèle k cin identifiée < k cin locale k cin identifiée sous évaluée

47 47 Validation locale du modèle 2D 1 ère Hydratation k cin locale = s -1 k cin identifiée = s -1 Fuites = 28 m 3 /h 10 % débit Température (°C) Avancement Temps (h) Modèle représente bien globalement et localement les résultats expérimentaux k cin identifiée sous estimée Expérimentation Modèle

48 48 Δp (Pa) Avancement Evolution du milieu réactif : perméabilité / Δp Evolution de la perméabilité du lit réactif ou Δp à ces bornes (débit constant) Hydratation Déshydratation Loi de Darcy : Δp (Pa) Δp (bornes réacteur) élevés Δp lit réactif < 600 Pa

49 49 Avancement Evolution du milieu réactif : perméabilité / Δp Hydratation Déshydratation Δp - Δp singulières (Pa) Pertes de charge singulières (réacteur) 700 Pa Evolution de la perméabilité du lit réactif ou Δp à ces bornes (débit constant)

50 50 Avancement Evolution du milieu réactif : perméabilité / Δp Hydratation Déshydratation Δp - Δp singulières (Pa) Pas dévolution significative de Δp aux bornes réactif au cours des cycles Evolution de la perméabilité du lit réactif ou Δp à ces bornes (débit constant)

51 Dissymétrie évolution Δp dissymétrie k eq (X) 51 Avancement Evolution du milieu réactif : perméabilité / Δp Hydratation Déshydratation Δp - Δp singulières (Pa) Evolution de la perméabilité du lit réactif ou Δp à ces bornes (débit constant)

52 52 Evolution de k eq (X) et modèle 2D k parallèle k série Modèle 2D : 2 évolutions de k s (X) locale Déshydratation Hydratation Flux dair Expérimentation : évolution k eq (X) Linéaire en DéshydratationEn 1/X en Hydratation

53 53 Avancement Evolution de k eq (X) et modèle 2D Modèle 2D représente qualitativement Δp aux bornes du lit de sel Modèle 2D ne colle pas parfaitement avec les résultats expérimentaux en hydratation k 0 et k 1 sous évaluées dans modèle Δp singulières surestimées Hydratation Déshydratation Δp - Δp singulières (Pa) Exp Modèle Exp Modèle

54 54 Expérimentations Aspects importants dun système stockage thermochimique intersaisonnier : Milieu réactif Fonctionnement Évolution, Reproductibilité au cours des cycles Performances du réacteur de stockage thermochimique Puissance Température en sortie

55 55 Puissance (W) Puissance de la réaction Avancement Puissances cibles Puissance moyenne 400 W Puissances moyenne 700 W

56 Puissance de la réaction : influence de lécart à léquilibre 56 Forte influence de lécart à léquilibre : Fort écartFaible écart Hydratation (X=0,5) Déshydratation (X=0,5) 500 W 250 W -600 W -180 W Écart à léquilibre contrôle de la puissance

57 57 Température (°C) Temps (h) Arrêt 10 jours Arrêt 5 jours Puissance (W) Temps (h) Arrêt 10 jours Arrêt 5 jours Puissance de la réaction : influence des séries Marche/Arrêt Stockage thermochimique solaire Nombreuses alternances Marche/Arrêt (jour/nuit, intersaisons, …) Pas dimpacts significatifs sur puissance réaction et température du lit

58 58 Puissance (W) Débit massique (kg/h) Puissance (W) Débit massique (kg/h) Puissance de la réaction : influence du débit dair humide HydratationDéshydratation Puissance réaction expérimentale évolue linéairement avec le débit Possibilité réguler puissance à laide du débit

59 59 Résolution bilans matière et énergie Hypothèses : Régime stationnaire T R = T s Pertes thermiques négligées T air sortie réacteur thermochimique Droite de charge / décharge Température de lair en sortie du réacteur Chauffage de lhabitat : T minimum requise Important de pouvoir déterminer et contrôler T j

60 60 X = 0,8 Température de lair en sortie du réacteur p v (Pa) Température X = 0,5 X = 0,1 Les points de sortie (T j, p vj ) de lair humide Passent sur la droite de charge/décharge 2 ème Hydratation Le point de sortie (T j, p vj ) de lair humide se rapproche du point dentrée (T i, p vi ) au cours de la réaction

61 Conclusions Prototype de stockage thermochimique sous air humide Modèles : Dimensionnement (1D) Analyse (2D) Fiables Analyse modes de fonctionnement (VP et AH) : Performances cibles atteintes en AH Caractérisations transfert masse Lit de grains de sel Performances cibles atteintes k > m 2 Dec < 450 kWh/m 3

62 Conclusions Milieu réactif : Réaction à T constante et au niveau dun front raide Dissymétrie de lévolution de la perméabilité du lit réactif Hydratation évolution en série Déshydratation évolution en parallèle Contrôle système : Possibilité de réguler la puissance à laide du débit T j air en sortie réacteur dépend de lécart à léquilibre (T i, p vi ) Prototype : 400 kg sel, Dec lit = 390 kWh/m 3 et De réacteur 190 kWh/m 3 (hors isolation). Puissances supérieures aux puissances cibles P moy = 400 W. 62

63 63 Perspectives Prolonger létude du cyclage hydratation/déshydratation : Démontrer la reproductibilité sur le long terme Boucle aéraulique en cours de réalisation à PROMES Améliorer la densité énergétique : Lit confiné et plus dense Utiliser des lits réactifs contenant un diffuseur Optimiser la répartition des volumes morts dans le réacteur Optimiser laéraulique interne du réacteur Réduire les pertes de charges Etude de lintégration du système de stockage thermochimique dans une habitation Etude en cours au laboratoire PROMES

64 64 Merci de votre attention


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