stockage thermique pour les formation csp...
TRANSCRIPT
Stockage thermique pour les centrales solaires
Formation CSP
Ouarzazate
Mai 2016
Gilles Flamant et Cyril Caliot
PROMES-CNRS
Sommaire
STOCKAGE THERMIQUE
• Indicateurs
• Typologie des stockages thermiques associés aux centrales solaires
• Technologies industrielles
• Echangeurs de chaleur
• Stockage par thermocline
• Recherche et développement
1
Contexte
2
INDICATEURS
3
Indicateurs
Capacité de stockage (kWh) définie la durée du stockage. Pour un stockage par chaleur sensible:
Qsto = mCpΔT (kJ or kWh)
avec m = masse du matériau (ou fluide), Cp chaleur spécifique et ΔT différence de température entre réservoirs chaud et froid
Pour les cylindro-parabolique, ΔT ≈ 90°C (sel fondu) pour une centrale à tour ΔT ≈ 270°C, en conséquence il faut 3 fois moins de matière pour stocker 1 kWh
La puissance extraite et la température de restitution
4
Indicateurs
Le stockage thermique permet d’augmenter le facteur de charge de la centrale. Facteur de charge = Production annuelle de la centrale / Production de cette centrale si elle fonctionnait 24h/24 à la puissance nominale (4000h ≈ facteur de charge de 45%)
La charge du stockage thermique nécessite l’accroissement de la surface du système de concentration → multiple solaire Multiple = Taille du champ solaire avec stockage / Taille du champ solaire sans stockage (pour la même puissance nominale)
5
Multiple solaire
Surface d’héliostats sans
stockage
Surface A1
Surface d’héliostats
avec stockage
Surface A2
Multiple solaire:
SM ≈ A2/A1
SM = P2/P1
6
Multiple solaire
After Turchi et al., NREL report, 2010 7
Coût/Multiple solaire
After J. Jorgenson, M Denholm, M. Mehos, G. Turchi, NREL Tech Report, 2013 8
TYPOLOGIE DES MODES DE STOCKAGE
9
• Stockage actif : utilise un fluide comme élément de stockage
• Stockage passif : utilise un solide ou un matériau à changement de phase comme élément de stockage
• Stockage direct : le fluide de stockage est le même que le fluide de transfert
• Stockage indirect : un échangeur de chaleur est interposé entre le fluide de transfert et le stockage
Définitions
10
Stockage direct
Accumulateur de vapeur (Cas de PS10 et PS20)
11
Stockage direct
Stockage 2 cuves (Cas des centrales à tour à sel fondu)
12
Stockage direct
Stockage thermocline
13
Stockage indirect
Accumulateur de vapeur
14
Stockage indirect
Stockage 2 cuves (cas des centrales CP avec stockage sel fondu)
15
Stockage indirect
Stockage par thermocline
16
Stockage indirect
Stockage sur solide (Cas du stockage sur béton)
17
Stockage indirect
Stockage sur matériau à changement de phase 18
Stockage indirect
Stockage par système thermochimique solide-gaz 19
Technologies industrielles
20
Technologies industrielles
Seulement 2 technologies sont disponibles industriellement:
Les accumulateurs de vapeur
Les sels fondus avec 2 réservoirs de stockage (chaud et froid)
21
Technologies industrielles
Accumulateurs de vapeur
Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014
PS10 et PS20
Vapeur saturée à 250 ºC
50 min de stockage à 50% de la
puissance
Source: Abengoa Solar
22
Technologies industrielles
Accumulateurs de vapeur
PS10
Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014 23
Technologies industrielles
Sel fondu, 2 réservoirs
Andasol (50 MW)
Capacité de stockage :
1010 MWh (7.7h)
Facteur de charge ≈ 45%
Nitrate
(60% NaNO3 + 40% KNO3)
Poids de sel : 28.500 t
Volume des réservoirs : 14.000 m³
6 échangeurs HTF/sel
Chaud : 385°C / Froid 294°C Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014 24
Technologies industrielles
Stockage indirect, sel
fondu, 2 réservoirs Centrale cylindro-parabolique
25
Technologies industrielles
Echangeurs de chaleur (centrale CP)
Source: Scientific American 2012
Stockage indirect, sel
fondu, 2 réservoirs
26
Technologies industrielles
Stockage direct, sel
fondu, 2 réservoirs Centrale à tour (Gemasolar) 15h de stockage, 20 MW
Facteur de charge: 74%
Poids de sel: ≈ 7000 t
27
Echangeurs de chaleur
28
Configurations
Co-courant Contre-courant
Courant croisé
29
Technologie
Echangeur tube-calandre à contre courant
30
Dimensionnement
31
Dimensionnement
Indice i=interne, indice 0=externe
A surface d’échange
h coefficient d’échange
D diamètre
K conductivité thermique paroi
L longueur
R’’ résistance de contact due à
l’encrassement
32
Stockage par thermocline
33
Principe
Une seule cuve au lieu de deux (stockage conventionnel)
« Piston thermique »
Il existe un front (le thermocline) d’épaisseur variable
TH
TB
34
Principe
Evolution de la température durant la charge
35
Utilisation d’une seule cuve de stockage
Utilisation de matériaux de stockage bon marché (solide) comme garnissage (« filler »)
Gain d’environ 35% sur le coût total
La stratification se dégrade au cours du temps ce qui diminue la capacité de stockage
Gestion plus complexe du stockage
Avantages / Inconvénients
36
Modélisation
Thermocline avec garnissage solide
• Les modèles 1D semblent être suffisants pour décrire l’évolution du système
• On suppose qu’il n’y a pas de gradient dans les éléments (billes, briques …) du garnissage:
Bi = hf-sd/λs < 1
• Modèles avec ou sans pertes aux parois
37
Modèle simple
Modèle piston / bilan sur épaisseur dz /
Pas de pertes aux parois et pas de conduction
Fluide:
ερfCpf(∂Tf/∂t + uf ∂Tf/∂z) = hconv.f-s(Ts – Tf)
Solide:
(1-ε)ρsCps∂Ts/∂t = hconv.f-s(Tf – Ts)
ε est la porosité, hconv.f-s est le coefficient d’échange volumique fluide-solide (W/m3K), hconv.f-s = 6h(1-ε)φ/d avec φ facteur de forme et h coefficient d’échange fluide solide (W/m2K)
Pacheco et al. J. of Solar Energy Engineering, 2002, vol 134, 153 38
Modèle simple
Validation avec un module de 2,3 MWh, hauteur 6,1 m diamètre 3 m avec sel fondu (HITEC XL)
Garnissage : quartzite (50 tonnes) + sable (22 tonnes)
modèle
Pacheco et al. J. of Solar Energy Engineering, 2002, vol 134, 153 39
Modèle simple
Expérience
Pacheco et al. J. of Solar Energy Engineering, 2002, vol 134, 153 40
Economie
Pacheco et al. J. of Solar Energy Engineering, 2002, vol 134, 153 41
Modèle 2D
Xu C. et al. Applied Energy (2012), 92, 65-75 42
Indicateur de performance
Xu C. et al. Applied Energy (2012), 92, 65-75
Rendement effectif de décharge:
ηeff = 0∫tdQfCpf(Tfs–Tfe)dt / Energie totale stockée initialement dans la thermocline
td représente le temps auquel la température de sortie est inférieure à une valeur critique
(dépend d la turbine)
Résultat pour
un écart de
20°C
43
Modèle avec pertes
Modèle piston / bilan sur épaisseur dz /
Avec pertes aux parois et conduction
1 − 𝜀 ⋅ ρs ⋅ 𝐶𝑝𝑠 ⋅𝜕𝑇𝑠𝜕𝑡
= 𝑘𝑠 ⋅𝜕2𝑇𝑠𝜕𝑧2
+ ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 ,𝑓↔𝑠 ⋅ 𝑇𝑓 − 𝑇𝑠 + ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 ,𝑠↔𝑤 ⋅𝑆𝑠↔w
𝑉𝑓 + 𝑉𝑠⋅ 𝑇𝑤 − 𝑇𝑠
ρ𝑤 ⋅ 𝐶𝑝𝑤 ⋅
𝜕𝑇𝑤𝜕𝑡
= 𝑘𝑤 ⋅𝜕2𝑇𝑤𝜕𝑧2
+ ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 ,𝑓↔𝑤 ⋅𝑆𝑓↔w
𝑉𝑤⋅ 𝑇𝑓 − 𝑇𝑤 + ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 ,𝑠↔𝑤 ⋅
𝑆𝑠↔w
𝑉𝑤⋅ 𝑇𝑠 − 𝑇𝑤 +
𝑇𝑒𝑥𝑡 − 𝑇𝑤
𝑉𝑤 ⋅ 𝑅𝑡ℎ
Fluide
Solide
Paroi
𝜀 ⋅ ρf ⋅ 𝐶𝑝𝑓 ⋅ 𝜕𝑇𝑓
𝜕𝑡+ 𝑢𝑓 ⋅
𝜕𝑇𝑓
𝜕𝑧 = 𝑘𝑓 ⋅
𝜕2𝑇𝑓
𝜕𝑧2+ ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 ,𝑓↔𝑠 ⋅ 𝑇𝑠 − 𝑇𝑓 + ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 ,𝑓↔𝑤 ⋅
𝑆𝑓↔w
𝑉𝑓 + 𝑉𝑠⋅ 𝑇𝑤 − 𝑇𝑓
*
*
*
J. F. Hoffmann, T. Fasquelle, V. Goetz, X. Py, A thermocline thermal energy storage system with filler materials for
concentrated solar power plants: Experimental data and numerical model sensitivity to different experimental tank scales,
Applied Thermal Engineering, February 2016
44
Validation Boucle solaire pilote
de PROMES-CNRS
Réchauffeur électrique (70 kW) et
collecteurs cylindro-paraboliques (130
kW)
Stockage 2 cuves (1 m3 chacune, 45 kWh)
Stockage thermocline (4 m3, 220 kWh)
Préchauffeur
Vaporiseur
Surchauffeur de vapeur
ORC 15 kW électrique
max
Refroidissement
atmosphérique
Validation Boucle solaire pilote
de PROMES-CNRS
46
Validation Boucle solaire pilote
de PROMES-CNRS
Boucle solaire ou boucle huile,
T = 20~220°C/300°C P = 1 bar
Boucle de génération de vapeur
T = 20~80°C/250°C P = de 5 à 15 bar
Boucle de refroidissement T = 20°C/80°C
P = 1 bar
Huile Jarytherm®
DBT de Arkema
Eau déminéralisée
3M Novec 649
Eau glycolée
4 boucles -> 4 fluides Boucle ORC ENOGIA T = 20°C / 90~160°C
47
Validation Boucle solaire pilote
de PROMES-CNRS
Diamètre du lit de roche 1,2 m
Diamètre du lit de roche 1,27 m
H. Volume tampon : 0,3
m
H. Volume tampon : 0,232 m
H. Lit de roche : 2,64 m
Cuve thermocline
Actuellement garnissage = billes d’alumine
48
Validation Boucle solaire pilote
de PROMES-CNRS
Température de sortie et hauteur de thermocline pendant une charge
Premiers résultats 49
Validation Boucle solaire pilote
de PROMES-CNRS
Température de sortie et hauteur de thermocline pendant une décharge
20 %
du ΔT
Premiers résultats 50
Recherche et développement
51
Nécessaires innovations
Storage
system
Une solution unique ne peut pas répondre à tous ces besoins
Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014 52
Recherche et développement
Chaleur Sensible 20 – 100 kWh/m³
(dépend de l‘écart de température)
Chaleur Latente 50 – 150 kWh/m³
(restitution à T constante)
Thermochimique 100 – 400 kWh/m³
(dépend du gradient moteur (température
or pression))
Densité d‘énergie Etat de
développement
[kWh/m3]
Faible Fort
Fort Faible
Modes de stockage thermique
Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014 53
Recherche et développement
Matériaux et concepts alternatifs développés au stade
laboratoire et pilote
Réservoir unique avec remplissage solide (thermocline)
Solide très peu coûteux (béton, matériaux recyclés ou
naturel)
Matériaux à changement de phase (PCM)
combinaison stockage sensible et PCM
Céramique HT (solide/air)
Réaction réversibles
54
Recherche et développement
Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014
Stockage sur béton
Sola
rko
llekt
ore
n
DampfkreislaufSpeichersystem
Sola
rko
llekt
ore
n
DampfkreislaufSpeichersystemStorage system
Power block
Colle
cto
r field
Source: DLR
55
Recherche et développement
Stockage sur béton • Pilote de 400 kWh en
fonctionnement depuis mai 2008
• Capacité de stockage: 0.65 kWh/(m3·K)
• ≈ 10,000h de fonctionnement
• Pas de signes de dégardation du matériau
01 05 10 15 20 25 2680
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
Temperature and Flow 01.11 - 26.11.2008
Time in days
Te
mp
era
ture
in
°C
01 05 10 15 20 25 26
-20
0
20
Flo
w in
m³/
h
Oil temperature "hot" sideOil temperature "cold" side
Flow
2nd Generation Pilot Storage built 2008 by Source: DLR
Source: ZÜBIN
Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014 56
Recherche et développement Matériaux recyclés
Source: X Py, PROMES
Opération de désamiantage Coulée
Vitrification
Plasma torche
à 1400°C
En France
250 000
tonnes/an
8 euros/tonne
Cofalit (inerte)
Céramiques
Matériaux Céramiques HT Sels fondus Cofalit
r×Cp
[kJ/(m3×K)]
3 030 1 300 à 3 900 2 680
l [W/(m×K)] 1.35 0.2 2
prix
[euros/tonne]
4500 500-700 8
57
Recherche et développement
Matériaux à changement
de phase
Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014
Evaporation 65%
Preheating 16%
Super-
heating
19%
260 ºC – 400 ºC
107 bar
58
Recherche et développement
Matériaux à changement
de phase
0
50
100
150
200
250
300
350
400
100 150 200 250 300 350
Temperature [°C]
En
thalp
y[J
/g]
KNO3
NaNO3
NaNO2
KNO3-NaNO3
LiNO3-NaNO3
KNO3-LiNO3
KNO3-NaNO2-NaNO3
LiNO3
0
50
100
150
200
250
300
350
400
100 150 200 250 300 350
Temperature [°C]
En
thalp
y[J
/g]
KNO3
NaNO3
NaNO2
KNO3-NaNO3
LiNO3-NaNO3
KNO3-LiNO3
KNO3-NaNO2-NaNO3
LiNO3
Inorganic Compounds Melting
Point (ºC)
Heat of
Fusion
(kJ/kg)
Density
(kg/m3)
LiNO3-NaNO3 195 NA NA
KNO3/NaNO3 eutetic 223 105 NA
NaNO3 307/308 74 2260/2257
65.2%NaOH-20%NaCl
14.8%Na2CO3
318 290 2000
KNO3 333/336 266/116 2110
KOH 380 149.7 2044
MgCl2/KCl/NaCl 380 400 1800
Na2CO3-BaCO3/MgO 500-850 NA 2600
Li2CO3 618 NA 2091
Zn-Cu Alloys [f(% Zn)] 400-750 180-250 7000-7800
MgCl2 714 542 2140
Na2CO3 854 275.7 2533
K2CO3 897 235.8 2290
59
Recherche et développement
Matériaux à changement
de phase
Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014
solid
liquid
Fluid
solid
liquid
Fluid
Heat carrier: water/steam
Phase Change Material (PCM)
Tube
Fins
Simplified PCM-storage concept
Finned Tube Design
effective Lamda > 10 W/mK
Problème : faible conductivité → puissance faible
60
Recherche et développement
Matériaux à changement de phase : démonstrateur
Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014
• Evaporateur PCM:
NaNO3
• T fusion : 306 °C
• Volume de sel : 8.4 m³
• Hauteur totale: 7.5 m
• Poids ~ 14 t
• Capacité~ 700 kWh
Tests en 2010 / 2011
(2949 h, 95 cycles)
La démonstration à l’échelle
la plus grande jusqu’à
présent
61
Recherche et développement
Thermochimique
Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014
Exemple:
Reaction: Ca(OH)2 ↔ CaO + H2O
Teq[1 bar]
ºC
ΔH [1 bar]
kJ/mol
Capacity*
Solid only
kWh/m3
Capacity*
All reactants
kWh/m3
Capacity
Gravimetric
kWh/t
521 100 410 323 373
62
Conclusion
• Il existe des solutions de stockage thermique massif
pour le solaire thermodynamique (≈ 3 GWht) mais elles
sont très peu nombreuses
• Le stockage par thermocline permettrait une réduction
des coûts de l’ordre de 1/3 mais les pertes dues à la
dégradation de la stratification doivent être réduites et des
protocoles de gestion sont nécessaires
• Des alternatives sont au stade du développement
63
Merci de votre attention
64