Stockage massif d'électricité sous forme thermique, Large scale Thermal Energy Storage of Electricity

De
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Sous la direction de Philippe Marty
Thèse soutenue le 28 juin 2011: Grenoble
Les travaux présentés dans cette thèse concernent un nouveau procédé de stockage d'électricité à échelle industrielle, sous forme de stockage de chaleur sensible. La chaleur est stockée dans deux échangeurs gaz-solide de grande taille appelés régénérateurs qui sont reliés à une paire de turbomachines (compresseur et turbine) formant ainsi un cycle thermodynamique. Selon le sens d'écoulement du fluide caloporteur, ce cycle est de type « pompe à chaleur » en stockage ou « moteur thermique » en déstockage. La modélisation complète du procédé a permis de caractériser son comportement dans un cas industriel, et de mettre en évidence les tendances principales du système. Les performances prévues se rapprochent de celles des installations existantes les plus adaptées au stockage massif d'électricité, telles que le stockage hydraulique gravitaire. Une étude CFD a permis l'optimisation d'une géométrie de canal à obstacles destinée à intensifier l'échange thermique dans les régénérateurs et qui sera testée expérimentalement à la suite de cette thèse. Les préparatifs de cette expérience sont abordés et ses objectifs sont explicités.
-Stockage d’énergie
-Échange thermique
-Perte de pression
-Régénérateurs
-Cycle thermodynamique
-Pompe à chaleur
Les travaux présentés dans cette thèse concernent un nouveau procédé de stockage d'électricité à échelle industrielle, sous forme de stockage de chaleur sensible. La chaleur est stockée dans deux échangeurs gaz-solide de grande taille appelés régénérateurs qui sont reliés à une paire de turbomachines (compresseur et turbine) formant ainsi un cycle thermodynamique. Selon le sens d'écoulement du fluide caloporteur, ce cycle est de type « pompe à chaleur » en stockage ou « moteur thermique » en déstockage. La modélisation complète du procédé a permis de caractériser son comportement dans un cas industriel, et de mettre en évidence les tendances principales du système. Les performances prévues se rapprochent de celles des installations existantes les plus adaptées au stockage massif d'électricité, telles que le stockage hydraulique gravitaire. Une étude CFD a permis l'optimisation d'une géométrie de canal à obstacles destinée à intensifier l'échange thermique dans les régénérateurs et qui sera testée expérimentalement à la suite de cette thèse. Les préparatifs de cette expérience sont abordés et ses objectifs sont explicités.
-Energy Storage
-Thermal Energy
-Pressure drop
-Regenerator
-Thermodynamic cycle
-Heat pump
Source: http://www.theses.fr/2011GRENI038/document
Publié le : dimanche 6 novembre 2011
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THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Mécanique des fluides, Procédés, Systèmes énergétiques
Arrêté ministériel : 7 août 2006



Présentée par
Tristan DESRUES


Thèse dirigée par Philippe MARTY et
codirigée par Jean-François FOURMIGUÉ

préparée au sein du LETh/LEGI
dans l'École Doctorale I-MEP2


Stockage massif d’électricité
sous forme thermique



Thèse soutenue publiquement le 28 juin 2011
devant le jury composé de :
G. FLAMANT Docteur PROMES, Perpignan Examinateur
J.L. HARION Professeur École des Mines de Douai Rapporteur
P. STOUFFS Professeur LATEP, Pau Rapporteur
P. MARTY Professeur LEGI, Grenoble Directeur de thèse
J.F. FOURMIGUÉ Ingénieur CEA LETh, Grenoble Co-directeur de thèse
J. RUER Directeur adjoint SAIPEM, Paris Examinateur
J.P. THIBAULT Docteur LEGI, Grenoble Examinateur

tel-00627054, version 1 - 27 Sep 2011tel-00627054, version 1 - 27 Sep 2011
Remerciements
Je remercie tout d’abord Jacques Ruer, mon responsable SAIPEM, qui a imaginé le procédé
SEPT à l’origine du projet ANR SETHER dans lequel s’est inscrit cette thèse, qui m’a fait
confiance pour mener à bien les travaux autour de ce sujet, et dont l’enthousiasme pour le
développement de nouvelles solutions énergétiques est communicatif. Il m’a fait prendre part à
plusieurs déplacements et rencontres avec des industriels, ce qui m’a permis de découvrir le
monde des relations interprofessionnelles et l’importance du facteur humain. Lorsque la thèse a
er
été retardée de 6 mois suite au refus du 1 projet ANR, il a fait en sorte que je puisse travailler
sur le sujet, dans les locaux de la SAIPEM puis au laboratoire LEGI de Grenoble, avant
d’intégrer le CEA Grenoble, et je lui en suis très reconnaissant.
Je remercie mon encadrant CEA Jean.François Fourmigué, qui a été mon interlocuteur
principal tout au long de la thèse, qui m’a consacré beaucoup de temps et qui a répondu à mes
nombreuses questions aussi bien en mécanique des fluides qu’en méthodes numériques, et ce
malgré de nombreuses sollicitations liées à son expérience en modélisation et en calcul
scientifique qui est un réel atout pour le LETh.
Je remercie également mon directeur de thèse Philippe Marty, dont les connaissances et la
rigueur scientifique ont été très appréciables tout au long de la thèse, mais qui a aussi su
m’orienter vers les bons interlocuteurs.
En particulier, Jean.Paul Thibault, du laboratoire LEGI, a pris le temps de m’initier aux
subtilités de la modélisation physique des turbomachines bien qu’il ne soit pas impliqué dans le
projet, et m’a orienté dans les bonnes directions pour développer les bases du modèle, quelques
mois avant le début officiel de la thèse et mon arrivée au CEA Grenoble.
Je tiens à remercier tous les membres du jury, pour l'intérêt qu'ils ont porté à ma thèse, pour
leurs remarques pertinentes et les discussions très intéressantes qu'ils ont amenées.
Je remercie aussi Philippe Muguerra, de la société SAIPEM, qui a suivit mon travail avec
intérêt, avec qui j’ai collaboré pour mener à bien plusieurs études, et dont l’expérience en
gestion de projet a été instructive.
Les différents interlocuteurs impliqués dans le projet ANR SETHER m’ont apporté des
connaissances et des conseils appréciables tout au long de cette thèse. En particulier, les
discussions avec Renaud Gicquel, professeur à l’école des Mines de Paris, ont été très
enrichissantes et m’ont permis d’approfondir mes connaissances dans le domaine des
turbomachines et de leur modélisation. Stéphane Burguburu, de l’ONERA, a également
beaucoup apporté au projet et ses compétences ont permis d’aboutir, avec R. Gicquel, à une
modélisation réaliste des turbomachines basée sur des caractéristiques de machines existantes,
et adaptées aux conditions inhabituelles du procédé. Je remercie également David Smith, Jean.
Pierre Bonnet, et Yasmine Marrakchi de l’ENSCI dont la bonne humeur et les compétences en
céramiques ont été précieuses, Gregory Rosenblat et Céline Poulier de la société PACT dont le
savoir faire en fabrication de céramiques techniques fut essentiel, Jean.Paul Roy de la société
Ferbeck & Fumitherm qui a suggéré des solutions adaptées pour la mise en place des
matériaux dans les régénérateurs de la boucle CLAIRE, et enfin Damien Levecque de POWEO
qui a mis en place le projet ANR SETHER et s’est occupé de sa gestion d’une façon
remarquable.
Pierre Saramito, du laboratoire LMC, a également pris le temps de répondre à plusieurs
questions techniques liées aux schémas de discrétisation des équations de la modélisation
globale, avant mon arrivée au CEA.
Je remercie enfin tout le personnel du LETh pour l’ambiance chaleureuse qui y règne, pour sa
disponibilité et pour les nombreuses discussions qui m’ont beaucoup appris, ainsi que les
partages d’expériences professionnelles ou personnelles.

iii
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Résumé
Les travaux présentés dans cette thèse concernent un nouveau procédé de stockage d’électricité
à échelle industrielle, sous forme de stockage de chaleur sensible. La chaleur est stockée dans
deux échangeurs gaz.solide de grande taille appelés régénérateurs qui sont reliés à une paire de
turbomachines (compresseur et turbine) formant ainsi un cycle thermodynamique. Selon le
sens d’écoulement du fluide caloporteur, ce cycle est de type « pompe à chaleur » en stockage
ou « moteur thermique » en déstockage. La modélisation complète du procédé a permis de
caractériser son comportement dans un cas industriel, et de mettre en évidence les tendances
principales du système. Les performances prévues se rapprochent de celles des installations
existantes les plus adaptées au stockage massif d’électricité, telles que le stockage hydraulique
gravitaire. Une étude CFD a permis l’optimisation d’une géométrie de canal à obstacles
destinée à intensifier l’échange thermique dans les régénérateurs et qui sera testée
expérimentalement à la suite de cette thèse. Les préparatifs de cette expérience sont abordés et
ses objectifs sont explicités.
Mots Clefs Stockage d’énergie, échange thermique, perte de pression, régénérateurs, cycle
thermodynamique, pompe à chaleur, irréversibilités, turbomachines, rendement isentropique.


v
-
tel-00627054, version 1 - 27 Sep 2011tel-00627054, version 1 - 27 Sep 2011
Table des matières
Remerciements ...................................................................................................................iii
Résumé ................................................................................................................................. v
Table des matières .............................................................................................................vii
Nomenclature......................................................................................................................xi
Introduction......................................................................................................................... 1
Chapitre I Le procédé SEPT........................................................................................ 3
1 Le stockage d’énergie ................................................................................................... 3
1.1 Intérêt...................................................................................................................... 3
1.1.1 Économies d’énergie, récupération d’énergie ............................................... 3
1.1.2 Marché de l’électricité................................................................................... 4
1.1.3 Consommation avancée, production retardée................................................ 5
1.1.4 Intégration des énergies renouvelables.......................................................... 5
1.1.5 Nivellement de la charge............................................................................... 7
1.1.6 Transport d’électricité ................................................................................... 7
1.2 État de l’art ............................................................................................................. 8
1.2.1 Hydraulique gravitaire................................................................................... 8
1.2.2 CAES............................................................................................................. 9
1.2.3 Batteries......................................................................................................... 9
1.2.4 SMES .......................................................................................................... 10
1.2.5 Hydrogène ................................................................................................... 11
1.2.6 Volant d’inertie............................................................................................ 11
1.2.7 Comparaison des technologies .................................................................... 11
1.3 Positionnement du procédé SEPT ........................................................................ 12
2 Description du procédé SEPT..................................................................................... 12
2.1.1 Moteurs thermiques et pompes à chaleur .................................................... 13
2.1.2 Résumé du fonctionnement......................................................................... 13
2.1.3 Agencement des composants....................................................................... 14
2.2 Principe de fonctionnement .................................................................................. 15
2.2.1 Stockage ...................................................................................................... 15
2.2.2 Déstockage .................................................................................................. 16
2.3 Définition de la capacité et du rendement ............................................................ 16
3 Analyse thermodynamique du procédé ....................................................................... 18
3.1 Définitions ............................................................................................................ 18
3.1.1 Compression et détente isentropiques ......................................................... 18
3.1.2 Rendement isentropique.............................................................................. 18
3.2 Stockage................................................................................................................ 19
3.3 Déstockage............................................................................................................ 20
3.4 Rendement théorique du procédé ......................................................................... 22
3.4.1 Approche par rendements polytropiques..................................................... 23
3.4.2 Influence des températures et des rendements des machines...................... 24
4 Synthèse ...................................................................................................................... 25
5 Références................................................................................................................... 26
Chapitre II Modélisation numérique.......................................................................... 27
1 Bibliographie .............................................................................................................. 27
1.1 Régénérateurs ....................................................................................................... 27
1.1.1 Intérêt .......................................................................................................... 28
1.1.2 Les différentes familles de régénérateurs .................................................... 29
1.1.3 Les principaux modèles............................................................................... 32
1.1.4 Comportement thermique............................................................................ 33

vii
tel-00627054, version 1 - 27 Sep 2011TABLE DES MATIÈRES
1.2 Propriétés thermohydrauliques des matrices solides ............................................39
1.2.1 Canal droit de section rectangulaire ............................................................40
1.2.2 Empilement de sphères uniformes...............................................................41
1.2.3 Empilement de graviers...............................................................................52
1.3 Influence de la température sur les propriété physiques de l’argon......................58
1.4 Turbomachines......................................................................................................59
1.4.1 Généralités...................................................................................................59
1.4.2 Analyse dimensionnelle...............................................................................61
1.4.3 Grandeurs réduites.......................................................................................62
1.4.4 Caractéristiques ...........................................................................................62
1.4.5 Pompage et Blocage ....................................................................................63
1.4.6 Turbomachines en similitude.......................................................................64
2 Description du modèle ................................................................................................64
2.1 Hypothèses et domaine de validité .......................................................................65
2.1.1 Variation transversale de température solide...............................................65
2.1.2 Longueur d’établissement thermique ..........................................................66
2.1.3 Pertes thermiques des enceintes ..................................................................66
2.1.4 Gaz parfait ...................................................................................................67
2.1.5 Évolution thermique pendant les pauses .....................................................68
2.1.6 Échanges radiatifs........................................................................................69
2.1.7 Convection naturelle....................................................................................73
2.2 Équations ..............................................................................................................74
2.2.1 Équations dans les enceintes .......................................................................74
2.2.2 Expressions de h , f et k ........................................................................75 vol D eff
2.2.3 Équations des échangeurs............................................................................77
2.2.4 Compression/détente d’un gaz parfait .........................................................77
2.2.5 Équations des turbomachines ......................................................................77
2.3 Caractéristiques des turbomachines......................................................................78
2.3.1 Cas des turbomachines en similitude...........................................................79
2.3.2 Compresseur................................................................................................79
2.3.3 Turbine ........................................................................................................81
2.4 Modèle numérique................................................................................................83
2.4.1 Discrétisation des enceintes.........................................................................83
2.4.2 Méthode numérique.....................................................................................85
2.4.3 Initialisation.................................................................................................86
2.4.4 Basculements charge/décharge....................................................................87
2.4.5 Régime périodique stabilisé ........................................................................89
2.4.6 Schéma amont .............................................................................................89
2.4.7 Influence des pas de temps et d’espace selon le schéma de discrétisation..90
3 Cas industriel de référence .........................................................................................93
3.1 Cahier des charges industriel de référence............................................................93
3.2 Comportement du système ...................................................................................94
3.2.1 Convergence vers le régime périodique stabilisé ........................................95
3.2.2 Régime périodique stabilisé ........................................................................96
4 Étude de sensibilité ...................................................................................................101
4.1 Influences principales .........................................................................................101
4.1.1 Influence de la largeur des enceintes.........................................................101
4.1.2 Influence de la tolérance de basculement..................................................102
4.1.3 Influence du débit des machines................................................................102
4.2 Variation du cahier des charges ..........................................................................103
4.2.1 Variation du diamètre hydraulique ............................................................104
4.2.2 Variation de la hauteur des enceintes.........................................................107
4.2.3 Variation du rendement global...................................................................108
4.2.4 Variation de la porosité..............................................................................109
4.3 Cas des milieux granulaires................................................................................ 110

viii
tel-00627054, version 1 - 27 Sep 2011 TABLE DES MATIÈRES
4.3.1 Empilements de sphères ............................................................................ 110
4.3.2 Empilements de graviers ........................................................................... 111
4.4 Comparaison des types de matrices solide ......................................................... 111
4.5 Conclusion de l’étude ......................................................................................... 112
5 Synthèse .................................................................................................................... 112
6 Références................................................................................................................. 113
Chapitre III Intensification des échanges .................................................................. 119
1 État de l’art............................................................................................................... 119
1.1 Gradients thermiques et coefficient d’échange................................................... 120
1.1.1 Grandeurs locales ...................................................................................... 120
1.1.2 Grandeurs moyennes et établissement....................................................... 122
1.2 Stratégies d’intensification ................................................................................. 122
1.2.1 Augmentation de la surface d’échange...................................................... 122
1.2.2 Couche limite thermique et recirculations................................................. 122
1.2.3 Transition vers le régime turbulent............................................................ 124
2 Types de géométries envisagées................................................................................ 126
2.1 Plaques corruguées ............................................................................................. 126
2.2 Canaux à rides transverses.................................................................................. 130
2.3 Choix d’un type de géométrie............................................................................. 131
3 Étude CFD d’un canal à rides transverses............................................................... 131
3.1 Définitions .......................................................................................................... 131
3.1.1 Paramètres géométriques et contraintes .................................................... 131
3.1.2 Facteur de friction, nombres de Reynolds et de Nusselt ........................... 132
3.1.3 Paramètres et géométries étudiés .............................................................. 132
3.2 Méthode numérique............................................................................................ 135
3.2.1 Domaine de calcul et conditions limites.................................................... 135
3.2.2 Validation sur un canal droit...................................................................... 136
3.2.3 Modèle de turbulence ................................................................................ 136
3.3 Maillage.............................................................................................................. 137
3.3.1 Établissement de l’écoulement.................................................................. 137
3.3.2 Influence du maillage ................................................................................ 138
3.4 Résultats.............................................................................................................. 139
3.4.1 Transition vers la turbulence ..................................................................... 139
3.4.2 Facteur de friction et Nombre de Nusselt.................................................. 141
3.4.3 Écoulement................................................................................................ 142
3.4.4 Échange thermique.................................................................................... 144
4 Choix d’une géométrie.............................................................................................. 146
4.1 Intégration dans la modélisation globale ............................................................ 146
4.1.1 Épaisseur de la plaque ............................................................................... 146
4.1.2 Établissement des corrélations .................................................................. 147
4.1.3 Cas étudiés................................................................................................. 148
4.2 Résultats.............................................................................................................. 149
4.2.1 Comparaison des cas ................................................................................. 149
4.2.2 Comparaison avec les autre types de matrice solides................................ 149
5 Synthèse .................................................................................................................... 150
6 Références................................................................................................................. 151
Chapitre IV Programme d’essais sur la boucle CLAIRE ........................................ 155
1 Description de la boucle CLAIRE............................................................................. 156
1.1 Composants ........................................................................................................ 157
1.1.1 Les régénérateurs....................................................................................... 157
1.1.2 Le brûleur à gaz......................................................................................... 157

ix
tel-00627054, version 1 - 27 Sep 2011TABLE DES MATIÈRES
1.1.3 Les conduites et les vannes........................................................................158
1.2 Procédure expérimentale ....................................................................................159
1.2.1 Pilotage de la boucle..................................................................................159
2 Matrices solides testées.............................................................................................160
2.1 Plaques « Forme 3 » ...........................................................................................160
2.1.1 Remplissage du régénérateur.....................................................................162
2.1.2 Instrumentation..........................................................................................165
2.2 Empilement de gravier........................................................................................166
2.2.1 Remplissage du régénérateur.....................................................................167
2.2.2 Instrumentation..........................................................................................167
3 Campagne d’essais ...................................................................................................169
3.1 Objectif ...............................................................................................................169
3.1.1 Données.....................................................................................................170
3.1.2 Calcul du coefficient d’échange ................................................................170
3.1.3 Calcul des pertes thermiques dans l’isolant...............................................170
3.1.4 Calcul des quantités d’énergies stockées et déstockées.............................171
3.1.5 L’utilisation thermique des régénérateurs..................................................172
3.2 Conditions imposées...........................................................................................172
3.2.1 Débit fumées/air ........................................................................................173
3.2.2 Estimation de la durée d’un essai ..............................................................173
4 Synthèse ....................................................................................................................174
5 Références .................................................................................................................174
Conclusion........................................................................................................................175
Tables................................................................................................................................177
Figures ..........................................................................................................................177
Tables ............................................................................................................................183
Annexes ............................................................................................................................185



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