Programme Énergie PRI 9.2 : Cycles thermochimiques pour le transport de chaleur et de froid Problématique : Transport de chaleur et de froid longue distance (>10km) Enjeu : Récupération de chaleur de sites industriels, nucléaires, Gestion de la production énergétique incinérateurs, cogénération Etat de l’art : Programme japonais New Sunshine depuis 95 => Eco-Energy City : Transport d’énergie longue distance + Procédés cascades Equipes impliquées dans le PRI 9.2 : Laboratoire des Sciences du Génie Chimique (LSGC) Institut de science et de génie des Matériaux et Procédés (IMP)

Réseaux de chaleur de gaz PRI 9.2 -2 SOURCE de CHALEUR SITE A UTILISATEUR SITE B transport de chaleur sensible (eau), latente (vapeur d’eau, coulis de glace) - isolation + conception réseau => limite actuelle des réseaux urbains  5kms Réseaux de chaleur - bien connus et optimisés (gaz naturel, hydrogène) => longues distances de gaz processus physico-chimique exothermique Processus endothermique GAZ EX : Evaporation / Condensation de G Désorption / Adsorption de G d’un adsorbant Décomposition / Synthèse Réaction solide-gaz

Procédés à sorption pour Transport et Production de chaleur ou de froid high low Ln (P) -1/T T1 T0 T2 T3 D C E S L G (S)+G (SG) SITE UTILISATEUR SITE SOURCE G ENDO. EXO. REJETS basse T SOURCE EFFET(S) UTILE(S) Transfert de chaleur longue distance remplacé par transfert de gaz à T ambiant  large gamme de temperatures opératoires selon processus et composant actif  peu de pertes en ligne: gaz à T ambiante, pas de condensation parasite, faibles pertes de charge PRI 9.2 -4

Procédés à sorption : Revalorisation de chaleur SITE UTILISATEUR SITE SOURCE Ln (P) -1/T T1 T0 T2 T3 D P low high C E S L G (S)+G (SG) EFFET UTILE G ENDO. EXO. SOURCE REJETS basse T ??? Transport + Revalorisation de chaleur impossible par cycle de base Ajout de dipôles => déplacement des températures de source / puits requis PRI 9.2 -5

Association de dipôles PRI 9.2 -6 site source utilisateur G2 ou (S3) + G2→ (S3,G2) G2 →L2 C2 (S2,G2) → G2 + (S2) D2 (S1) + G1→ (S1,G1) L1 →G1 G1 E1 S1 site source utilisateur L2→G2 E2 ou (S3,G2) →(S3) + G2 G2 (S2) + G2→(S2,G2) S2 (S1,G1) →(S1) + G1 G1→L1 G1 C1 D1  Adapter le fonctionnement aux sources/puits disponibles  Réduire la température de la source requise pour un effet utile donné  Amélioration des performances énergétiques (DHutile/DHsource du même ordre)  G1,G2 ou même G  Gestion des Réacteurs autothermes ?

Cycles thermochimiques Transport + production de froid PRI 9.2 -7 Ln (P) -1/T D1 C1 E1 S1 S2 E2 D2 C2 Po P high low To T1 TS2 Tcold TS1 (S)+G (SG) L G Phase 1 : Régéneration Source à T1 => E1 E1  S1 D2  C2 Phase 2 : Production de froid E2 à Tfroid D1  C1 E2  S2

Cycles thermochimiques Transport + production de froid PRI 9.2 -7 S2 E2 Ln (P) -1/T D1 C1 E1 S1 D2 Po P high low To T1 TS2 Tcold TS1 (S)+G (SG) L G C2 Phase 1 : Régéneration Source à T1 => E1 E1  S1 D2  C2 Phase 2 : Production de froid E2 à Tfroid D1  C1 E2  S2

Cycles thermochimiques Transport + production de froid PRI 9.2 -7 Ln (P) -1/T D1 C1 E1 S1 S2 E2 D2 C2 Po P high low To T1 TS2 Tcold TS1 (S)+G (SG) L G Phase 1 : Régéneration Source à T1 => E1 E1  S1 D2  C2 Phase 2 : Production de froid E2 à Tfroid D1  C1 E2  S2  Sur site utilisateur : seulement E2/C2

Cycles thermochimiques Transport + production de chaleur et de froid Ln (P) -1/T D1 C1 E1 S1 S2 E2 D2 C2 To T 1-2 TS2 TS1 Tcold P low high1 o high2 L G (S)+G (SG) Phase 1 : Production de chaleur en C2 Source en E1 E1  S1 D2  C2 Phase 2 : Production de froid en E2 D1  C1 E2  S2 PRI 9.2 -8

Cycles thermochimiques: Transport + Revalorisation de chaleur Ln (P) -1/T To T 1 D1 C1 E1 S1 S2 E2 D2 C2 2 P low o high1 high2 (S)+G (SG) L G Phase 1 : Source en E1 à T1 Production de chaleur en C2 à T2>T1 E1  S1 D2  C2 Phase 2 : Régénération D1  C1 E2  S2 PRI 9.2 -9

Problèmes abordés dans ce PRI 1 - Couples de réactifs Détermination des réactifs compatibles avec les conditions opératoires du cycle adapté au Transport + Production de froid 2 -Réacteurs autothermes Analyse du fonctionnement, conception modulaire 3 - Transport de gaz Coût énergétique, dans les conditions requises par les objectifs du transport PRI 9.2 -10

Sélection des réactifs Ln (P) -1/T D1 C1 E1 S1 S2 E2 D2 C2 Pev Pcd ?? -33°C 45°C Conditions opératoires imposées : + Fonctionnement autotherme des 2 réacteurs => seul degré de liberté = T source Tfroid = TE1 et Tamb = TC1 = TC2 Critères de sélection : - Densité énergétique => compacité (réduction coût, pertes…) - Critère exergétique => T source minimale - COP = froid produit / énergie incidente PRI 9.2 -11

Réactifs : CaCl2 / H2O NiCl2 / NH3 290 160 190° Ln (P) -1/T D1 C1 E1 Pev2 Pcd1 Pev1 Pcd2 CaCl2 / H2O NiCl2 / NH3 Réacteurs autothermes : 160°C / 290°C T source = 190°C Pmax = 18 bar gamme COP idéal 0,7 0,5 - 0,75 Densité R-NH3 = 1450 kJ/kg 1500-210 énergétique R-H2O = 700 kJ/kg 1000-300 PRI 9.2 -12

Analyse des réacteurs autothermes - Phases actives : Intégration des réacteurs pour maximiser les échanges thermiques Pressions de fonctionnement et/ou Densités différentes => Caractéristiques de transferts thermique et massique différentes pour les 2 réactifs - Phases intermédiaires : Fonctionnement autotherme des 2 réacteurs, mais : - pertes vers l’ambiance à compenser - phases intermédiaires à assurer ex: Réacteur en synthèse => Chauffage + Décomposition du réacteur associé => Utilisation de la source externe : CaCl2 / H2O vs. NiCl2 / NH3 => Tsource = 190°C T R.autothermes = 160°C / 290°C PRI 9.2 -13

Conception des réacteurs autothermes Configuration du module élémentaire : type échangeur de chaleur à plaques  Co-réacteur constructal Gaz 1 R en sorption Gaz 2 R en désorption h e1 e2 - Chaleur : Transfert via la paroi - Gaz : Diffuseur(s) dans chaque réacteur => réduire longueur de diffusion Optimiser le rapport h/e => égalité des temps caractéristiques de transfert de matière et de chaleur => durée de cycle déterminée par le volume élémentaire => système multi - échelle, modulable selon la puissance de production PRI 9.2 -14

Rq : 1kW de froid => 3.45 Nm3 NH3/h Transport de gaz Puissance FROID (W) E+03 E+04 E+05 E+06 E+07 <1 2 5 16 50 U < 5m/s 1 4 13 41 U < 8m/s Diamètre (cm) Pertes de charge sur 10 km U < 5m/s 0,03 à 0,7 b 2 E-4 à 6 E-3 U < 8m/s 0,08 à 1,5 b 6 E-4 à 1.3 E-2 Puiss. pr compenser DP Puiss.Froid transporté Hyp: Ecoulement turbulent, tube lisse Rq : 1kW de froid => 3.45 Nm3 NH3/h PRI 9.2 -15

CONCLUSION PERSPECTIVES Procédés à sorption originaux analysés en utilisant le concept de dipôle Conceptions compatibles avec le transport de chaleur longue distance - sous la forme de transport de gaz à faibles pertes énergétiques - plusieurs productions thermiques possibles (froid et/ou chaleur,revalorisation) Réacteurs autothermes : Analyse de la compétition TT /TM => dimensionnement Modélisation, simulation dynamique : Couplage TT + TM dans chaque élément, couplage entre les réacteurs, les modules => Optimisation du fonctionnement du système (critère: exergétique , COP,Puissance,…) Expérimentation des couples réactifs et du concept de réacteur proposé Elargissement du champ d’application : Réactifs assurant d’autres productions : chaleur+ froid, revalorisation particulièrement basés sur gaz déjà en réseaux (CH4, H2O, H2, GN) Autres types de sorption : adsorption S/G, absorption L/G PERSPECTIVES PRI 9.2 -16