Co-direction : MAZET Nathalie NEVEU Pierre
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Transcript of Co-direction : MAZET Nathalie NEVEU Pierre
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
Fonctionnement du stockage thermochimique
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
DécompositionEndothermique
SynthèseExothermique
Température (°C)
Qchauf
0 10 20 30 40 50 60 70 80100
1000
10000
7
Fonctionnement du stockage thermochimique
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
DécompositionEndothermique
SynthèseExothermique
Température (°C)
H2O
8
Fonctionnement du stockage thermochimique
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
DécompositionEndothermique
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
Equations constitutives des modèles
Hypothèses principales :
- 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
Modèle 1D air humide (front raide)
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
Conservation de l’énergie :
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
Hypothèses principales :
- 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
Equations constitutives des modèles
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
Modèle 1D air humide (front raide)
sk
u p
Hypothèses principales :
- 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
Equations constitutives des modèles
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
Conservation de l’énergie :
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
Modèles- Dimensionnement
(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
Modèles- Dimensionnement
(1D)- Analyse (2D)
22
Prototype
Analyse système- Fonctionnement VP et AH- Analyse des limitations- Analyse des performances
Caractérisations - Paramètres transferts - Mises en œuvres
Modèles- Dimensionnement
(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
Caractérisations - Paramètres transferts - Mises en œuvres
Modèles- Dimensionnement
(1D)- Analyse (2D)
Analyse système- Fonctionnement VP et AH- Analyse des limitations- Analyse des performances
30
Prototype- Conception- Expérimentation- Analyse
Caractérisations - Paramètres transferts - Mises en œuvres
Modèles- Dimensionnement
(1D)- Analyse (2D)
Analyse système- Fonctionnement VP et AH- Analyse des limitations- Analyse des performances
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
Fonctionnement du réacteur thermochimique
1
2
3
4
5
6
7
8
35
Fonctionnement du réacteur thermochimique
1
2
3
4
5
6
7
8
36
∆PPabs
PT100
PT100
Fonctionnement du réacteur thermochimique
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
2eme D3eme D4eme D6eme D
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
Avancement Avancement
Evolution du milieu réactif : perméabilité / Δp
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
Evolution de la perméabilité du lit réactif ou Δp à ces bornes (débit constant)
00.10.20.30.40.50.60.70.80.91600
700
800
900
1000
1100
1200
2eme D3eme D4eme D6eme D
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
Avancement Avancement
Evolution du milieu réactif : perméabilité / Δp
Hydratation Déshydratation500
400
300
200
100
0
500
400
300
200
100
0
Δp - Δpsingulières (Pa) Δp - Δpsingulières (Pa)
Pas d’évolution significative de Δp aux bornes réactif au cours des cycles
Evolution de la perméabilité du lit réactif ou Δp à ces bornes (débit constant)
Dissymétrie évolution Δp dissymétrie keq(X)
00.10.20.30.40.50.60.70.80.91600
700
800
900
1000
1100
1200
2eme D3eme D4eme D6eme D
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
Avancement Avancement
Evolution du milieu réactif : perméabilité / Δp
Hydratation Déshydratation500
400
300
200
100
0
500
400
300
200
100
0
Δp - Δpsingulières (Pa) Δp - Δpsingulières (Pa)
Evolution de la perméabilité du lit réactif ou Δp à ces bornes (débit constant)
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
Avancement Avancement
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
Hydratation Déshydratation
Δp - Δpsingulières (Pa) Δp - Δpsingulières (Pa)
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
Hydratation Déshydratation
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