Institut Mines-Télécom 27/11/2014
Stockage d'énergie en souterrain
Thermodynamique des cavités
Faouzi Hadj-Hassen
Centre de Géosciences – MINES ParisTech
Institut Mines-Télécom
Sommaire
Contexte général du stockage de l'énergie
Les milieux naturels de stockage
Les cavités minées
Les cavités salines
Le stockage d'énergie avec cycles rapides
Le stockage d'air comprimé
Le stockage de CH4, H2, O2 et CO2
Stratégie de recherche
Illustrations
Conclusions - Perspectives
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1. Contexte général
Stockage souterrain d'hydrocarbures liquides et gazeux :
technique mature
Dérégulation du marché du gaz : Cycles de plus en plus rapides
Stockage de l'électricité produite par des énergie renouvelables
Air comprimé
Electrolyse et méthanation : H2, O2, CO2 et CH4
Nouveaux modes de stockage : cycles rapides (quotidiens)
Fortes sollicitations des cavités avec une prédominance des
effets thermiques
Nouvelle approche pour optimiser le stockage et garantir sa
sécurité
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2. Les milieux naturels de stockage
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2.1 Cavités minées dans des roches compétentes
115m
35m 52m
Source GDF
Source Geostock
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2. Les milieux naturels de stockage
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2.2 Cavités salines
Sel en couche (source GDF) Sel en dôme (source GDF)
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2. Les milieux naturels de stockage
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2.2 Cavités salines
Source GDF
Création des cavités par dissolution
Technologie maitrisée pour l'exploitation du sel ou pour le stockage d’hydrocarbures
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3. Les stockages à cycles rapides
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3.1 CAES : Compressed Air Energy Storage
Chaleur de compression perdue Apport d’énergie thermique nécessaire lors de la détente (production de CO2) Rendement électrique faible : ~ 50 %
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3. Les stockages à cycles rapides
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3.1 CAES : Compressed Air Energy Storage
2 installations commerciales existantes
Huntorf (RFA, 1978, 290 MW) McIntosh (USA, 1991, 110 MW)
Huntorf : 2 cavités salines de 310 000 m3, pression entre 4.8 et 6.6 MPa, 3 h de soutirage
McIntosh : une cavité saline de 560 000 m3, pression entre 4.5 et 7.4 MPa, 26 h de soutirage
Air refroidi pour réduire les contraintes thermiques
Nouveau projet aux USA : CAES de 1,2 GW/50h dans l’Utah (4 cavités salines de 1.2million m3)
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3. Les stockages à cycles rapides
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3.2 AA-CAES : Advanced Adiabatic – Compressed Air Energy Storage
Stockage de la chaleur de compression dans un régénérateur de chaleur : TES
Stockage pneumatique dans une cavité (Lined Rock Cavern ou cavité saline)
Restitution de l’énergie stockée, sans apport extérieur, donc sans émission de CO2
Rendement : ~ 70 %
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3. Les stockages à cycles rapides
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3.2 AA-CAES : Advanced Adiabatic – Compressed Air Energy Storage
LRC 1
Projet SEARCH (ANR) - Stockage en cavités minées (200 MW)
LRC 2
TES-MP
TES-HP
Cavité Pression max (bar)
R int Rext Profondeur Hauteur Volume utile
TES MP 33 bar 9 m 11 m 45 m 50 m 12 000 m3
TES HP 150 bar 10 m 12 m 73 m 45 m 15 000 m3
LRC (x2) 150 bar 18 m 19 m 100 m 74 m 80 000 m3
Cavité Pression max (bar)
R int Rext Profondeur Hauteur Volume utile
TES MP 33 bar 9 m 11 m 45 m 50 m 12 000 m3
TES HP 150 bar 10 m 12 m 73 m 45 m 15 000 m3
LRC (x2) 150 bar 18 m 19 m 100 m 74 m 80 000 m3
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3. Les stockages à cycles rapides
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3.2 AA-CAES : Advanced Adiabatic – Compressed Air Energy Storage
Projet ADELE (RWE, RFA) - Stockage en cavités salines et TES aériens
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3. Les stockages à cycles rapides
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3.3 Stockage de gaz : CH4, H2, O2, CO2
Concept EMO (Electrolysis–Methanation–Oxy-fuel, ANR)
Stockage en cavités salines
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4. Stratégie de recherche
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Caractériser et modéliser le comportement de la roche hôte et des
fluides stockés
Développement d'essais en laboratoire et modélisation rhéologique
de la roche
Lois d'état de l'air comprimé et des autres gaz (collaboration avec
le CTP)
Mettre en œuvre des approches phénoménologiques permettant
l’optimisation de l’ensemble de l’opération de stockage
Développement d'outils numériques élaborés (1D, 2D, 3D)
Forte collaboration avec les exploitants pou accéder à des mesures in-
situ et valider les développements
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4.1 Caractérisation des matériaux et des fluides
Comportement thermomécanique du sel : endommagement, sollicitations cycliques
4. Stratégie de recherche
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4.1 Caractérisation des matériaux et des fluides
Développement de modèles pour :
l'air humide (modèles limités à 5 MPa et 473 K) : stockage d'air comprimé
les autres gaz : CH4, H2, O2 et CO2 : Power to Gas
la saumure
4. Stratégie de recherche
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4.2 Développement d'outils numériques adaptés
CYSIF : résolution semi-analytique des problèmes thermo-hydro-mécaniques
autour de vides souterrains cylindriques ou sphériques.
VIPLEF : résolution de problèmes thermo-hydro-mécaniques pour des structures à
2 ou 3 dimensions y compris sous des sollicitations dynamiques.
DEMETHER : résolution des problèmes thermodynamiques liés aux stockages
d'énergie dans des cavités souterraines :
• Circulation de fluides dans différents compartiments.
• Couplage entre puits - massif autour puits - cavité - massif autour cavité.
4. Stratégie de recherche
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4.2 Développement d'outils numériques adaptés
Réseau complexe de cavités
Cavité alimentée par un ou plusieurs puits
Puits pouvant avoir plusieurs compartiments avec
plusieurs fluides
Caractère tridimensionnel (réseau, écoulement
dans le puits et dans la cavité. . . )
Hétérogénéité des formations géologiques
Mobilité 3D de la paroi en mode lessivage
Sollicitations thermomécaniques à la paroi de la
cavité pouvant induire des grandes déformations
Nécessité de lois rhéologiques précises
Très fort contraste entre les dimensions du puits,
de la cavité et du massif (peut constituer un
handicap majeur pour les modèles numériques)
Complexité de la modélisation des échanges
entre la cavité et son environnement
Présence d’insoluble, foisonnement…
4. Stratégie de recherche
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4.2 Développement d'outils numériques adaptés
4. Stratégie de recherche
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5.1 Stockage d'air comprimé en cavités minées
5. Illustrations
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5.2 Stockage de gaz en cavités salines
5. Illustrations
Géométrie complexe du problème
Historique d'exploitation des cavités en gaz
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5.2 Stockage de gaz en cavités salines
5. Illustrations
Historique Pression-Température
Déviateur de contraintes
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6. Conclusions – Perspectives
Autres domaines d'application