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

Tristan Desrues

Description

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

Sujets

• Stockage d'énergie
• Cycle thermodynamique
• Pompe à chaleur

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 187
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 15 Mo

Extrait

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.


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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 ..............................................