Stockage thermique par procédé thermochimique solide/gaz
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Procédé thermochimique solide/gaz et stockage thermique : exemple du stockage intersaisonnier pour l'habitat Nathalie MAZET Benoît MICHEL Gabriel BOULNOIS Pierre NEVEU Sylvain MAURAN Driss STITOU CNRS - PROMES, Perpignan SFT Groupe Thermodynamique Paris, 7 février 2014 Procédés thermochimique & stockage thermique décomposition endothermique => stockage de chaleur G gaz Gliq+ DHv <S,nG> + mG <S,n+mG> + m ΔHr synthèse exothermique => restitution de chaleur Nathalie MAZET – SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris 1100 1000 Reaction S/G 900 H2 / Hydrides Reaction S/G CO2 / Carbonates 800 700 Stored Heat (kWh/m3) • Densité énergétique élevée : 100-1000 kWh /m3 PCM : 50-100 kWh/m3 chaleur sensible: 20-50 kWh/m3 • Peu de pertes thermiques dans le temps stockage sous forme de potentiel chimique • Couples réactifs dans une large gamme de température Reaction S/G Reaction S/G H 2 O/ Hydrates H2O/ Hydroxides 600 500 400 Reaction S/G 300 NH3 / Ammoniates 200 Adsorption Absorption S/G L/G 100 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Useful Temperature (°C) -2- Stockage intersaisonnier d’énergie solaire pour le chauffage de l’habitat En hiver : déficit solaire = 49 % des besoins thermiques En été : excédent solaire = 60 % des besoins thermiques d’hiver Cas : 100 m2 de plancher, 20 m2 de capteurs solaires, climat de Strasbourg Possibilité d’augmenter de la part solaire dans la couverture des besoins de l’habitat Nathalie MAZET – SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris -3- Stockage intersaisonnier pour l’habitat : problématique ANR-Stock-E ESSI • Maximiser la densité énergétique du procédé Milieu réactif de forte densité -> faible porosité • Sous conditions opératoires défavorables Hydrate/vapeur <SrBr2,1H2O> + 5H2O <SrBr2,6H2O> + 5ΔHr Faible pression opératoire (30-80°C) Système fermé (vapeur pure) ou système ouvert (air humide) ? • Sous contrainte de puissance restituée fixée par l’utilisateur (habitat) Caractériser et maîtriser la limitation massique au niveau milieu poreux, protocole, réacteur . Nathalie MAZET – SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris -4- MILIEU POREUX : perméabilité Perméabilité selon Darcy - dans une gamme de mise en œuvre : Dec= 300 à 600 kWh/m3 - aux 2 bornes de la réaction : k0 et k1 SrBr2,H2O Heater Porous bed Fan : Δp = 500 Pa V= 600 m3.h-1 Humidifier SrBr2,6H2O T, p Supports perforés reactive pt = patm + Δp T Porous bed support patm Nathalie MAZET – SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris Δp Lit T réactif T, p T, u -5- Perméabilités aux bornes de la réaction Lit de sel deshydraté, k0 2000 2E-09 Lit de sel hydraté, k1 Perméabilité k0 (10-12 * m2) Perméabilité k1 (10-12 * m2) 100 1E-10 200 2E-10 10 1E-11 20 2E-11 1 1E-12 2 2E-12 300 0,1 1E-13 400 500 600 300 400 500 600 Densité énergétique du lit poreux Dec (kWh.m-3) k décroit de 3 ordres de grandeur pour Dec x 2 k1 < k0 d’un ordre de grandeur Nathalie MAZET – SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris -6- PROTOCOLE OPÉRATOIRE : ouvert ou fermé Système fermé, sous vapeur pure Système ouvert, sous flux d’air humide - Fiabilité à long terme Pression opératoire Débits importants + Contrôle Fiabilité , coût Air humide disponible dans habitat Nathalie MAZET – SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris -7- Modélisations selon le protocole Système fermé, sous vapeur pure Système ouvert, sous flux d’air humide -Modèles 2D, pseudo-homogènes - Couplage transferts thermique, massique, et cinétique chimique -Coefficients de transferts et cinétiques identiques - Modèles de diffuseur/échangeur, CL et CI adaptés à chaque cas Nathalie MAZET – SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris -8- Limitation principale : avancements locaux, production d’entropie Système fermé, sous vapeur pure Entrée de vapeur Système ouvert, flux d’air humide Avancement Entrée d’air humide Xg = 0,14 Sortie d’air humide Sortie de chaleur Déplacement front de réaction Xg = 0,5 Déplacement front de réaction 2,5E-03 Production d’entropie (W.m-1.K-1) Limitation thermique 2,0E-03 thermique 1,5E-03 1,0E-03 1E-02 Production d’entropie (W.m-1.K-1) 8E-03 6E-03 massique Limitation massique 4E-03 massique 5,0E-04 2E-03 chimique 0,0E+00 0E+00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Avancement 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Avancement -9- 4) Performances simulées selon le protocole - à volume réactif total constant - DE réactif = 450 kWh/m3 - épaisseur de réactif Zs = 4 à 10 cm prototype performances globales comparables mode ‘air humide’ plus simple Nathalie MAZET – SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris - 10 - Conclusions stockage thermochimique basse T • Stockage thermochimique d’énergie thermique • Forte évolution de la perméabilité, selon Dec et X, point clé pour la définition d’un réacteur • Lit fixe réactif 390 kWh/m3, prototype : 190 kWh/m3 (hors isolation). • Prototype : puissances contrôlable par l’écart à l’équilibre ou le débit d’air humide (procédé ouvert ) • Perspectives : • Optimisation de la densité énergétique du réacteur (mise en œuvre du réactif, réseau de diffusion de gaz ) • Comparaison avec les procédés concurrents (Q sensible, PCM, absorption) -> en cours • Stockage thermochimique à haute température (500°C) pour une centrale solaire à concentration. Nathalie MAZET – SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris - 11 - Stockage thermique haute température Exemple : centrale solaire thermodynamique • Décaler la production vers les pics de demande • Accroitre la disponibilité de la centrale • Garantir la production d’électricité Gestion de la production selon critères économique et/ou environnemental Nathalie MAZET – SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris - 12 - Couples réactifs à haute température CaO +H2O Ca(OH)2 100 10 P(bar) 1 MgO/Mg(OH)2 CaO/Ca(OH)2 SrO/Sr(OH)2 BaO/Ba(OH)2 0,1 0,01 MnCl2(0-1) MgCl2(0-1) 0,001 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 T(°C) Nathalie MAZET – SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris - 13 - 1er tests CaO / Ca(OH)2 700 Reactive bed température (°C) 600 500 T1ReaCen Tr2 T5Fap T9Fap Tefum Tsfum TevapLiq 400 300 200 steam 100 -120 120 360 600 840 1080 1320 1560 1800 2040 2280 2520 temps (sec) Perspectives : ANR-SEED In-STORES • • • • Caractérisations des transferts , cyclage Mise en œuvre du réactif / configurations de réacteur HT Prototype Impact pour la filière solaire thermodynamique concentrée Nathalie MAZET – SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris - 14 - Merci ! Aux supports : - ANR-08-STOCK-E-04 projet ESSI - MAEE & Région Languedoc-Roussillon : projet "Arcus Région LR/ Shanghai" Aux partenaires des projets : INES, LATEP, LOCIE, Dominguez Enr Aux participants Promes : Benoit Michel, Jing Xu, Jean-Marie Mancaux, Roger Garcia, Gilles Hernandez. [email protected]
