procédé thermochimique pour le stockage intersaisonnier de lénergie solaire : modélisation...

Procédé thermochimique pour le stockage intersaisonnier de l’énergie solaire :

modélisation multi-échelles et expérimentation d’un prototype en air humide

Soutenance de Thèse présentée par :MICHEL Benoit

Co-direction :MAZET Nathalie

NEVEU PierreLe 8 octobre 2012, Perpignan

2

Développement d’un procédé de stockage thermochimique pour le chauffage de l’habitat

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

Objectif du stockage intersaisonnier

Possibilité d’augmenter la couverture solaire des besoins par un stockage longue durée (intersaisonnier) de l’énergie solaire

Projet ANR STOCK-E ESSI Evaluation comparée des Systèmes de Stockage Intersaisonnier pour le chauffage de l’habitat.

Exemple : 100 m2 de plancher, 20 m2 de capteurs de solaire, climat de Strasbourg

En hiver : déficit solaire :

49 % des besoins thermiques non couverts

En été : Excédent solaire représente

60 % des besoins thermiques d’hiver

0 100 200 300 4000

50

100

150

200Absorption Adsorption Thermochimique

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 l’habitat) : 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

Fonctionnement du stockage thermochimique

Synthèse

Décomposition

hΔ5OH6,SrBr)OH(5OH1,SrBr r22222

Réaction chimique renversable entre un solide et un gaz :

synthèse (hydratation) exothermique

décomposition (déshydratation) endothermique

0 10 20 30 40 50 60 70 80100

1000

10000 Pression (Pa)

Equilibre liq

uide/vapeur

Equilib

re S

olide

/gaz

SynthèseExothermique

DécompositionEndothermique

Température (°C)

ÉtéDéshydratation

Stockage : peu de pertes

de chaleur dans le temps

0 10 20 30 40 50 60 70 80100

1000

10000

6


H2O vapeur

H2O Chaleur perdue

Qcapteurs

Capteurs solaires

<SrBr2,5H2O> + 5ΔHr <SrBr2,1H2O> + 5H2O

Qcapteurs

SrBr2,1H2O

SrBr2,6H2O

Equilib

re S

olide

/gaz

Equilibre liq

uide/vapeurPression (Pa)

Chaleur perdue



Température (°C)

Qchauf

0 10 20 30 40 50 60 70 80100

1000

10000

7


H2O vapeur

H2O

SrBr2,1H2O

SrBr2,6H2O Chaleur ambiante ou du sol

Qchauf

HiverHydratation

Chauffage de la maison

<SrBr2,1H2O> + 5H2O <SrBr2,6H2O> + 5ΔHr

Equilib

re S

olide

/gaz

Equilibre liq

uide/vapeurPression (Pa)

Chaleur ambiante ou du sol



Température (°C)

H2O

8


Système fonctionnant en vapeur pure :

Source froide Pression d’eau faible (≈ 1000 Pa)

Système fonctionnant sous flux d’air humide pression atmosphérique

0 20 40 60 80100

1000

10000

Température (°C)

Pression (Pa)

Equilibre liq

uide/vapeur

Equilib

re S

olide

/gaz


SynthèseExothermique Tchauffage = 35 °C

Text ≈ 5°C

9

Caractérisations

Prototype

Analyse système

Modèles- Dimensionnement

(1D)- Analyse (2D)

10

Modèles : Schémas en hydratation

Entrée d’air froid et humide

Sortie d’air chaud et moins

humide

Vapeur d’eau

Air sec

Modèle général : 2D air humide

Sel réactifks(X), λ(X)

Entrée d’air humide

Sortie d’air moins

humide

Modèle 1D air humide (front raide)

Front de réaction

Air sec

Vapeur d’eau

k0

k1

Entrée d’eau (vapeur pure)

Collecteur de chaleur

Diffuseur de gaz

Vapeur d’eau

Modèle 2D vapeur pure

λc

kdif

Sel réactifks, λ

Sortie de chaleur

Hypothèses principales :

- Milieu pseudo-homogène → Tsel = Tair = Teau

- Transfert de masse → loi de Darcy :

( )hh m

t

u (1 )v

h h v v

xx x m

t

u

1 (1 )

eqSG

cinv

p TXk X

t p

Conservation de la matière : et

Conservation de l’énergie :

Air humide Vapeur d’eau

Cinétique de la réaction :11

Equations constitutives des modèles

Modèle général : 2D air humide

vs

s

M dXm

M dtavec

0

rs mX h mh eff h mh

v

hTc c T c T m

t M u

sk

u p



- Milieu pseudo-homogène → Tsel = Tair = Teau = constante

- Transfert de masse → loi de Darcy : limitation exclusive

- Régime quasi-stationnaire

- Cinétique de réaction non limitante

→ front raide de réaction à l’équilibre thermodynamique : pvf = peqSG(Tc)

( )hh m

t

uConservation de la matière :

Air humide

1212


Air humide

(1 )vh h v v

xx x m

t

u

Vapeur d’eau

vs

s

M dXm

M dtavec

et

1 (1 )

eqSG

cinv

p TXk X

t p


Cinétique de la réaction :

0

rs mX h mh eff h mh

v

hTc c T c T m

t M u

sk

u p


- Milieu pseudo-homogène → Tsel = Tair = Teau = constante

- Transfert de masse → loi de Darcy : limitation exclusive

- Régime quasi-stationnaire

- Cinétique de réaction non limitante

→ front raide de réaction à l’équilibre thermodynamique : pvf = peqSG(Tc)

h m uConservation de la matière :

1313


Air humide

Solution analytique : t(X)

1 1 0( )2t

tX t ai ai aj

Xt AX p k p k p k

avec2

00 1 ( )( )r ti tj aj ti ai tj

Dec Zs R TcA

h k k p p p p p p

vs

s

M dXm

M dtavec

+ Conditions limites


sk

u p


- Milieu pseudo-homogène → Tsel = Teau

- Transfert de masse → loi de Darcy :

- Pas de gaz inerte (uniquement vapeur d’eau) → xv = 1 et ρa = 0 (avec ρh = ρa + ρv = ρv)

sk

u p


Modèle 2D vapeur pure

( )

v

v mt

u (1 )vh h v v

xx x m

t

u

1 (1 )

eqSG

cinv

p TXk X

t p

Conservation de la matière : et


Cinétique de la réaction :14

vs

s

M dXm

M dtavec

0

rs mX v mv eff v mv

v

hTc c T c T m

t M u

( )

v

v mt

u

Vapeur d’eau

15

0 50 100 150 200 250 3000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Temps (h)

Avancement

0 25 50 75 1000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Validation

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Avancement

2ème hydratation

3ème hydratation

7ème hydratationTemps (h)

Temps (h)

Avancement

Validation Modèle 2D air humide Prototype

Validation Modèle 1D air humide (front raide)

Banc de caractérisation

Exp Modèle

16

Caractérisations - Paramètres transferts - Mises en œuvre

Prototype

Analyse système


(1D)- Analyse (2D)

patm

T Porte échantillon

Batteriechaude

Humidificateur /Déshumidificateur

Lit poreux réactif

Δp

pt = patm + Δp

VentilateurΔp = 500 Pa

= 600 m3.h-1V

17

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 l’échantillon

Δp aux bornes de l’échantillon

- Mesure avancement de la réaction

Evolution de la masse de l’échantillon

Supports perforés

Lit réactif

Mesure T, p

Lit de grains de sel : différentes Dec

(jusqu’à 600 kWh/m3)

Bons résultats

Dec ≈ 400 kWh/m3

et Pm ≈ 5 W/kg

Composites (avec mousse, vermiculite, diffuseur)

Pas d’amélioration des résultats :faibles Dec ou Pm

18

Élaboration de différentes mises en œuvres

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Temps(h)

Avancement

Cyclage d’un échantillon (Dec ≈ 430 kWh/m3 et Pm ≈ 2 W/kg) : 7 cycles hydratation/déshydratation

Caractérisations d’un lit de grains de sel

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8Avancement

Perméabilité (1012* m2)300

200

100

1

Vitesse de réaction, Perméabilité : Pas d’évolution significative au-

delà du 2nd cycle

Structure du le lit réactif semble stable au cours du cyclage

19

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 300

400

800

1,200

1,600pvi (Pa) Groupe 1

Groupe 2

Tvi (°C)

Equilibre Solide/Gaz

Groupe 1Groupe 2

Densité énergétique vs perméabilité

300 400 500 600

4.99999999999984E-12

4.99999999999984E-11

4.99999999999984E-10

300 350 400 450 500 550 600

4.99999999999984E-13

4.99999999999984E-12

4.99999999999984E-11

Perméabilité k0 (10-12 * m2)2000

200

20

2

100

10

1

0,1

Perméabilité k1 (10-12 * m2)

Dec (kWh.m-3)Dec (kWh.m-3)

20

Caractérisations d’un lit de grains de sel

Lit de sel déshydraté Lit de sel hydraté

k diminue plusieurs ordres de grandeurs lorsque Dec x2

k0 un ordre de grandeur supérieur à k1

Pm mesurées correspondant aux puissances cibles

k > 10-12 m2 (Dec jusqu’à 450 kWh.m-3)

21

Prototype

Analyse système

Caractérisations - Paramètres transferts - Mises en œuvres


(1D)- Analyse (2D)

22

Prototype

Analyse système- Fonctionnement VP et AH- Analyse des limitations- Analyse des performances



(1D)- Analyse (2D)

23

Analyse système : choix du mode opératoireObjectif : déterminer le mode opératoire le mieux approprié

- Vapeur Pure

- Flux d’Air Humide

Collecteurs de chaleur

Diffuseurs de gaz

Entrée vapeur d’eau

Sortie de chaleurEntrée vapeur d’eau

Modèle 2D air humideModèle 2D vapeur pure

Comparaison à partir des modèles 2D

24

Paramètres et géométrie

Collecteurs de chaleur

Diffuseurs de gaz

λc = 330 W.m-1.K-1

kdif = 10-10 m2

Sel réactif :- Dec = 450 kWh.m-

3

- λeff = 0,38 W.m-1.K-

1

- ks = 21,9.10-12 m2

Entrée vapeur d’eau : pvi = 1650 Pa

Sortie de chaleur : Tj = 35 °CEntrée vapeur d’eau : pvi = 1650 Pa

T = 25 °C

Sel réactif :- Dec = 450 kWh.m-3

- λeff0 = 0,22 W.m-1.K-

1

- λeff1 = 0,61 W.m-1.K-

1

- k0 = 40.10-12 m2 - k1 = 3,8.10-12 m2 - 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

fopt = H/L = 0,71

L = 16 cm

Zs

= 5cm

L = 16 cm

Zs = 5cm

25

Limitation de la réaction : champs d’avancement

Entrée d’air humideEntrée de vapeur

Sortie de chaleur

Xg = 0,14

Déplacement front de réaction

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 l’entrée d’air vers la sortie Flux chaleur et gaz co-courant peut pas conclure sur le transfert limitant

Xg = 0,5

Sortie d’air humide

Avancement

26

Limitation de la réaction : production d’entropie

Production d’entropie :

Quantifier les irréversibilités qui se produisent dans le réacteur thermochimique

Déterminer le phénomène limitant la réaction

Productions d’entropie dans le lit de sel réactif dues :

Au transfert de masse

Au transfert de chaleur

A la réaction chimique

27

Limitation de la réaction : production d’entropie

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10E+00

2E-03

4E-03

6E-03

8E-03

1E-02 Production d’entropie (W.m-1.K-1)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10.0E+00

5.0E-04

1.0E-03

1.5E-03

2.0E-03

2.5E-03Production d’entropie (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

AvancementAvancement

Etude évolution de ces limitation dans une gamme de paramètres de transferts (λ, k, …,) élargie

(voir manuscrit)

massique

28

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

10

20

30

40

50

60

70

80

Q air humide

Q vapeur pure

W.m-1Q

Avancement

Puissances de réaction des 2 modes opératoires

Puissance de la réaction d’hydratation

Puissance réacteur vapeur pure > puissance réacteur air humide

Puissance réaction supérieure aux puissances cibles

Puissancescibles

Comparaison de la puissance de réaction

Qmoy = 24,1 W.m-1

Qmoy = 10,4 W.m-1

Bonnes performances réacteur air humide + Contraintes technologiques réacteur vapeur pure Réalisation prototype air humide

29

Prototype



(1D)- Analyse (2D)


30

Prototype- Conception- Expérimentation- Analyse



(1D)- Analyse (2D)


Aspect modulaire : Empilement de tiroirs contenant le lit réactif

Composition d’un tiroir

Lit de grains de sel

Zs = 7,5 cm

Dec = 390 kWh.m-3

50 kg sel / tiroir

k1 = 59.10-12 m2 et k0 = 570.10-12 m2

Conception et dimensionnement du prototype

31

Grille perforée

Tissu métallique

Caissette

Sel

l’=65 cmL’=70 cm

h’=8 cm

Sel hydratéThermocouples

Réacteur

8 tiroirs

400 kg de sel hydraté (1/10 réacteur réel)

capacité de stockage : 105 kWh

Conception et dimensionnement du prototype

32

Tiroirs

Decréacteur = 190 kWh.m-3

(hors isolation)

Decprototype = 95 kWh.m-3 (avec isolation)

33

Fonctionnement du réacteur thermochimique

1

2

3

4

5

6

7

8

34


1

2

3

4

5

6

7

8

35


1

2

3

4

5

6

7

8

36

∆PPabs

PT100

PT100


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 massePesée séparée possible sur les tiroirs 2 et 7.

Instrumentation

1

2

3

4

5

6

7

8

37

Ventilo

Conduites rigides calorifugées

Banc de test aérauliqueConduites souples

Balance

Sens du flux d’air

Filtre

HRi, Ti,M, pti,M, HRj, Tj,M, ptj,M,

Débits banc aéraulique : 60 – 400 m3/h

,Vi M

,Vj M

wj,MTamb, Hramb, pamb

Banc d’essai aéraulique

Réacteur

Mode opératoire choisi Débit constant ≈ 300 m3/h

38

Expérimentations

Aspects importants d’un système stockage thermochimique intersaisonnier :

Milieu réactif

Fonctionnement

Évolution, Reproductibilité au cours des cycles

Performances du réacteur de stockage thermochimique

Puissance

Température en sortie

39

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1Avancement

Temps (jours)

Arrêt 10 jrs

Arrêt 5 jrs

Arrêt

Tests variation, Faible / Fort écart à l’équilibre

Tests débit variable

Fort écart à l’équilibre

Evolution globale du milieu réactif : cyclage

≈ 5 mois d’expérimentations

7 cycles hydratation/déshydratation

40

0 50 100 150 200 2500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1AvancementAvancement

Temps (h) Temps (h)

Evolution globale du milieu réactif : cyclageHydratations Déshydratations

Evolution de la vitesse de réaction au cours de cycles

Semble se stabiliser au bout du 6ème cycles

Déshydratations

Causes évolution vitesse réaction au cours des cycles :

- Conditions opératoires ?

- Dégradation du milieu ?

Modèle 2D Permet de différencier ces causes

Ti (°C) pvi (Pa) Débit (m3/h) kcin (s-1)

1ère hydratation 25 990 290 8.10-6

2ème hydratation 25 981 290 5,5.10-6

3ème hydratation 25 945 280 3.10-6

6ème hydratation 25 991 284 3.10-6

7ème hydratation 25 968 271 3,5.10-6

0 50 100 150 200 250 3000

0.2

0.4

0.6

0.8

1Evolution globale du milieu réactif : cyclage

41

Temps (h)

Avancement

Faible variation conditions opératoires

Nécéssité d’identifier kcin pour chaque manip

diminue pour les 3 premiers cycles

kcin identifié se stabilise ensuite

Evolution vitesse réaction due à

un facteur cinétique

Exp Modèle

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.624

26

28

30

32

34

36

Tsel suivent un palier puis tendent vers Ti

Tpalier = T de la réaction

Front de réaction qui se déplace dans le lit

Entrée d’air

T10

T16

T13

T12

T18

T9

T14 T15

T11

T17

Vue du dessus du tiroir 5

4200.10.20.30.40.50.60.70.80.91

55

60

65

70

75

80T15T12T13

Evolution locale du milieu réactif

1ère Déshydratation

4,9

1,83,3

6,7T12

T13

T15

T14

Flux d’air

Coupe longitudinale du tiroir 5

Tsel suivent un palier puis tendent vers Ti

Tpalier = 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

1ère HydratationTempérature (°C)

90 95 100 105 110 115 120 125 1300

0.2

0.4

0.6

0.8

1Début 4ème hydratation

43

0

1

X=1

X=0

X=0

X=0

Xglobal = 0

0

7,5

Flux d’air

Evolution locale du milieu réactif : historique du lit réactif

X=1

Zs (cm)

T12 – T15 ne détectent pas le front de réactionImportance de l’historique de la couche réactive

Ne permet pas de conclure sur l’absence de front de réaction

0 0.2 0.4 0.6 0.8 124

26

28

30

32

34

36

Avancement

Température (°C)

Pas de front de réaction visible

Début 5ème déshydratationXglobal = 0,8

Début 5ème hydratationXglobal = 0,3

Avancement

Temps (h)

44

0 20 40 60 8024

26

28

30

32

34

36

0 20 40 60 80 10055

60

65

70

75

80Température (°C)

Temps (h)

Temps (h)

Température (°C)

Sous flux Descendant

Sous flux Ascendant

Homogénéité du milieu réactif20 Tir 1

T01 Tir 1 T02 Tir 3 T03 Tir 3 T04 Tir 5 T09 Tir 5 T10 Tir 5 T11

1ère Hydratation

1ère Déshydratation

Présence front de réaction

Tpalier identique entre tiroirs

Moins marqué dans tiroirs flux AscendantLit dilaté / fluidisé ?

Non, fluidisation : Фgrains < 170 μm. Or Фgrains > 500 μm

Artefacts de mesures

Thermocouples installés de bas en haut :

Possible passage préférentiel de l’airTempérature du milieu du lit de

sel des différents tiroirs en fonction du temps

Tiroirs relativement homogènes

500 μm

Thermocouples

Modèle représente correctement Tpalier et front de réaction

45

Validation locale du modèle 2D1ère Déshydratation 1ère Hydratation

Avancement

Température (°C)

Avancement

kcin = 8.10-6 s-1kcin = 8.10-6 s-1

kcin = 10-4 s-1

Modèle validé globalement

Localement : T modèle ne correspondent pas à l’expérimentation

Pas de Tpalier

Pas de front de réaction

ExpérimentationModèle

kcin identifiée certainement sous évaluée kcin identifiée sous évaluée

46

Validation locale du modèle 2D

kcin locale

kcin identifiée

Fuites

Fuites entre tiroirs, passages préférentiels

Ralentissement réaction

Pas pris en compte par modèle

kcin identifiée < kcin locale

kcin identifiée sous évaluée

47

Validation locale du modèle 2D

1ère Hydratation

kcin locale = 10-4 s-1

kcin identifiée = 8.10-6 s-1

Fuites = 28 m3/h≈ 10 % débit

Température (°C)

Avancement

Temps (h)

Temps (h)

Modèle représente bien globalement et localement les

résultats expérimentaux

kcin identifiée sous estimée

ExpérimentationModèle

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91600

700

800

900

1000

1100

1200

2eme D3eme D4eme D6eme D

480 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

600

700

800

900

1000

1100

1200

2eme H

3eme H

4eme H

6eme H

Δp (Pa)

Avancement Avancement

Evolution du milieu réactif : perméabilité / Δp

Evolution de la perméabilité du lit réactif ou Δp à ces bornes (débit constant)

Hydratation Déshydratation

sk

u pLoi de Darcy :

Δp (Pa)

Δp (bornes réacteur) élevés Δp lit réactif < 600 Pa

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91600

700

800

900

1000

1100

1200


490 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

600

700

800

900

1000

1100

1200

2eme H

3eme H

4eme H

6eme H



Hydratation Déshydratation500

400

300

200

100

0

500

400

300

200

100

0

Δp - Δpsingulières (Pa) Δp - Δpsingulières (Pa)

Pertes de charge singulières (réacteur) 700 Pa


00.10.20.30.40.50.60.70.80.91600

700

800

900

1000

1100

1200


500 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

600

700

800

900

1000

1100

1200

2eme H

3eme H

4eme H

6eme H




400

300

200

100

0

500

400

300

200

100

0


Pas d’évolution significative de Δp aux bornes réactif au cours des cycles


Dissymétrie évolution Δp dissymétrie keq(X)

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91600

700

800

900

1000

1100

1200


510 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

600

700

800

900

1000

1100

1200

2eme H

3eme H

4eme H

6eme H




400

300

200

100

0

500

400

300

200

100

0



52

Evolution de keq(X) et modèle 2D

k ‘parallèle’ k ‘série’

Modèle 2D : 2 évolutions de ks(X) locale

Déshydratation Hydratation

Flux d’air Flux d’air

Expérimentation : évolution keq(X)

Linéaire en Déshydratation En 1/X en Hydratation

00.10.20.30.40.50.60.70.80.910

100

200

300

400

500

600

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

100

200

300

400

500

600

53


Evolution de keq(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 k0 et k1 sous évaluées dans modèle

Δp singulières surestimées



Exp Modèle

Exp Modèle

54

Expérimentations

Aspects importants d’un système stockage thermochimique intersaisonnier :

Milieu réactif

Fonctionnement

Évolution, Reproductibilité au cours des cycles

Performances du réacteur de stockage thermochimique

Puissance

Température en sortie

55

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

-1600

-1200

-800

-400

0

400

800

-161ere H 2eme H 3eme H 4eme H 6eme H

-161ere D 2eme D 3eme D 6eme D

Puissance (W)

Puissance de la réaction

Avancement

Puissances cibles

Puissance moyenne ≈ 400 W

Puissances moyenne ≈ 700 W

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Avancement

Pui

ssan

ce (

W)

écart à l’équilibre

Fort

. hyd

rata

tio

n

Faible

dés

hy

dra

tati

on

Fort

Faible

Puissance de la réaction : influence de l’écart à l’équilibre

56

Forte influence de l’écart à l’équilibre :

Fort écart Faible écart

Hydratation (X=0,5)

Déshydratation (X=0,5)

500 W 250 W

-600 W -180 W

Écart à l’équilibre

contrôle de la puissance

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 d’impacts significatifs sur

puissance réaction et température du lit

58

160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360200

400

600

800

1000

140 160 180 200 220 240 260 280 300-800

-700

-600

-500

-400

-300Puissance (W)

Débit massique (kg/h)

Puissance (W)

Débit massique (kg/h)

Puissance de la réaction : influence du débit d’air humide


Puissance réaction expérimentale évolue linéairement avec le débit

Possibilité réguler puissance à l’aide du débit

59

Résolution bilans matière et énergie

Hypothèses : Régime stationnaire

TR = Ts

Pertes thermiques négligées

T air sortie réacteur thermochimique

Droite de charge / décharge

0( )( )

( )

i j r

j j ia i v v

w w hT w T

c wc M

Température de l’air en sortie du réacteur

Chauffage de l’habitat : T minimum requise

Important de pouvoir déterminer et contrôler Tj

60

10 15 20 25 30 35 40 45400

500

600

700

800

900

1000

X = 0,8

Température de l’air en sortie du réacteur

pv (Pa)

Température

X = 0,5

X = 0,1

Les points de sortie (Tj, pvj) de l’air humide

Passent sur la droite de charge/décharge

2ème Hydratation

Le point de sortie (Tj, pvj) de l’air humide

se rapproche du point d’entrée (Ti, pvi) au cours de la réaction

0400 SrBr2.6-

1H2O

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 > 10-12 m2

Dec < 450 kWh/m3

Conclusions

Milieu réactif : Réaction à T constante et au niveau d’un front raide Dissymétrie de l’évolution de la perméabilité du lit réactif

Hydratation évolution en série

Déshydratation évolution en parallèle

Contrôle système : Possibilité de réguler la puissance à l’aide du débit

Tj air en sortie réacteur dépend de l’écart à l’équilibre (Ti, pvi)

Prototype :

400 kg sel, Declit = 390 kWh/m3 et Deréacteur ≈ 190 kWh/m3 (hors isolation).

Puissances supérieures aux puissances cibles Pmoy = 400 W.

62

63

Perspectives Prolonger l’étude 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 l’aéraulique interne du réacteur

Réduire les pertes de charges

Etude de l’intégration du système de stockage thermochimique dans une habitation

Etude en cours au laboratoire PROMES

64

Merci de votre attention

procédé thermochimique pour le stockage intersaisonnier de lénergie solaire : modélisation...

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