Quelques exemples d activités autour de l intensification des échanges thermiques et de l efficacité énergétique

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1 Quelques exemples d activités autour de l intensification des échanges thermiques et de l efficacité énergétique Ph. Marty Une collaboration : LEGI (UJF/CNRS/G-INP) LETh (CEA-Grenoble) Institut Néel (CNRS)

2 Plan de l exposé Présentation des activités grenobloises Les échangeurs-réacteurs Vers une prise en compte simultanée des échanges de masse et de chaleur Intensification des échanges diphasiques Les échanges diphasiques en mini-canaux: exemple des PEMFC L effet du mouillage Le problème récurrent de la distribution diphasique Nouveaux procédés pour le stockage de l énergie L exemple des fours verriers Le stockage massif de l électricité Le stockage de l hydrogène

3 Objectifs: Intensification des transferts Développement de nouveaux procédés Secteurs concernés: Industrie & Transports Habitat Solaire

4 Industrie & Transports Développement d échangeurs compacts innovants : Echangeurs à haute et très haute température Nanofluides et nanostructuration Echangeurs-multifonctionnels pour : Procédés chimiques continus, Reformage d H2, Biocarburants à partir de gaz (procédés GTL et BTL) Composants thermiques pour l automobile : Optimisation de la thermique moteur, Echangeurs / automobile, Thermique des batteries pour VL hybrides et électriques

5 Habitat Systèmes énergétiques dans l habitat : Les systèmes énergétiques chaud/froid pour le bâtiment Le contrôle/commande des installations Composants thermiques dans l habitat Les capteurs solaires thermiques Le rafraîchissement solaire

6 Solaire Centrale solaire à tour (cycle à gaz à HT) : Projet PEGASE en collaboration avec Promes Développement et fabrication du récepteur Centrale solaire autonome de petite puissance Capteurs solaires à faible couts Stockage de la chaleur Implantation de deux centrales prototypes de 5-10 kwe Centrale solaire à concentrateur linéaire Etude d implantation Développement capteur Fresnel Stockage de chaleur Implantation d une centrale prototype de 50 kwe Centrale solaire à basse température Développement du capteur à Caloduc Qualification expérimentale Implantation d une centrale pilote de 400 kwe

7 Des tailles diverses: de la maquette à échelle réduite à l installation semi-industrielle Des fluides multiples (réfrigérants, hydrocarbures, eau, CO2) Des températures variées (-30 C, C)

8 Re=150 Des outils numériques adaptés Re=300 Fluent, TRIO Prosim, Thermoptim Re=500

9 Les échangeurs-réacteurs Couplage réaction chimique / température Maîtrise des transferts de chaleur : Contrôle de la température au sein du milieu réactionnel Meilleures sélectivités Renforcement de la sécurité Cinétiques accélérées Echange de chaleur et réaction au sein du même appareil Concept d échangeur/réacteur

10 Contrainte liée au temps de séjour : Temps de séjour suffisant pour la chimie Appareil le plus compact possible Régime laminaire Comment concilier régime laminaire avec écoulement piston et intensification des transferts?

11 Structuration bidimensionnelle De l étude thermo-hydraulique au prototype Collaboration: LGC / ANR RAPIC

12 Structuration bidimensionnelle Technologie validée expérimentalement et numériquement Réaction homogène liquide exothermique Modélisation numérique Fluent

13 Structuration tri-dimensionnelle Intensification en régime laminaire (Re<500) Advection chaotique, transformation du boulanger Fluides visqueux Réalisation de prototypes pilotes Echelle 1-10 L/h 2 modes de refroidissement possibles Collaboration: LTN & Ecole Centrale de Lyon / Energie Extrapolis Chen geometry Gray geometry l=0 l = 1 l = 2 l = 3 l = 4 l = 5 l = 6 l = 1 l = 2 l = 3 l = 4 l = 5 l = 6 l = number of elements

14 Intensification des échanges diphasiques: contexte des PEMFC Moteur thermique (rendmnt: 30 %) Puissance arbre : 60 kw Puissance à évacuer : 140 kw 85 KW à l échappement 10 KW convection-raynmt 45 KW@ 105 C dans le circuit de refroid mt PEMFC (rendement 50 %) : Puissance arbre : 60 kw Auxiliaires (gestion des réactifs, etc ): 10 KW 70 C dans le circuit de refroid mt + de puissance - de potentiel d échange

15 Des échangeurs muti-canaux de petit diamètre hydraulique Rôle croissant de la tension superficielle Thermocouple 0,5 mm 0,5 mm 0,5 mm 2,6 mm 1 mm Film chauffant

16 Illustration de l efficacité du changement de phase

17 Visualisations des configurations d écoulement Régime à bulles Régime à bouchons

18 Illustration du régime à bouchons

19 coefficient de transfert de chaleur (W/m²/K) Un assèchement est observé en fin de canal résultats expérimentaux Modélisation adaptée par polynômes Zone 1 Zone vitesse apparente (m/s) Zone 3

20 Influence du mouillage sur les transferts diphasiques σ sv σ lv θ σ sl θ Hydrophilic Hydrophobic θ θ

21 Méthode: création de surfaces micro- ou nano-structurées Micro-structuring Nanocoating

22 Experimental samples TiO 2 Fe Pt deposition 2 O 3 SiOC Uncoated deposition deposition deposition SiOx deposition Teflon deposition Hydrophilic Hydrophobic (PHAN et al., IJHMT, 2009)

23 Ebullition en vase: Importance du micro-angle de contact

24 Flow boiling

25 Evolution vers des surfaces fonctionnalisées µ-ti : low wetted 40 µm 60 µm 40 µm 60 µm Pyrex Titanium DLC SiOx µ-siox : highly wetted

26 Le problème récurrent de la distribution diphasique

27 Echangeurs à plaques et ondes brasées étude de la distribution diphasique 2000 m 2 /m 3 Ondes «serrated» 1m 1m Collaboration: Fives Cryo

28 Schéma du distributeur diphasique Sens de l écoulement Croquis 3D du profilé de distribution diphasique

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30 Comparaison expérience/simulation Pas de gaz dans ce canal L = 1 m 17 18

31 Le stockage de la chaleur Evolution journalière du prix de l énergie (Prix Powernext en /MWh) nécessité d économiser mais aussi de stocker heures

32 Les fours verriers: un stockage destiné à récupérer la chaleur sortante Régénérateurs Collaboration: Saint Gobain cuve

33 Le régénérateurs de fours verriers Fonctionnement périodique en deux phases: fumées et air.

34 Rang n Rang n+1

35 Le Stockage massif d éd électricité Principe : -en heures creuses (stockage): Utiliser l électricité pour transférer de la chaleur d une enceinte froide vers une enceinte chaude (pompe à chaleur) - en heures de pointe (déstockage) : Récupérer cette énergie sous forme de travail pour la réinjecter sur le réseau élec.(moteur thermique) Collaboration: POWEO & SAIPEM / ANR SETHER

36 Pompe à chaleur (stockage) Source froide Q froid Pompe à chaleur Q chaud Source chaude T froid Moteur Travail T chaud Rendement environ 300%

37 Moteur thermique (déstockage) Source froide Q froid Moteur thermique Q chaud Source chaude T froid Machine Travail T chaud Rendement environ 25%

38 Phase de Stockage (pompe à chaleur) Source Cold source froide Q froid T froid Pompe à chaleur Q chaud T chaud Source Hot source chaude -70 C 500 C 1000 C 20 C Travail Moteur électrique

39 Phase de Déstockage D (moteur thermique) Source froide Q froid T froid Moteur thermique Q chaud T chaud Source chaude -70 C 500 C C C Travail Générateur électrique

40 Rendement global Stockage PAC COP = 300% 300% Rendement global 70% Déstockage Moteur thermique rendement = 25% Quelles sont les sources chaude et froide? des empilages réfractaires

41 Les régénérateursr rateurs Gaz Matrice de canaux (réfractaires)

42 Exemples de matrices solides Canaux Empilages Panel A Briques Panel B Graviers Sphères

43 Allure des fronts thermiques dans les régénérateursrateurs 10 8 Thermal Front Enceinte B End of Storage End of Delivery Altitude [m] 6 4 Slope = 119 K/m Slope = 67 K/m Thermal Use 73 % 36 % Temperature [K]

44 Objectifs Grande capacité : 600 MWh Puissance importante : 100 MW Viabilité économique : Très bon rendement global (> 70 %) Durée de vie importante (~20 ans)

45 Verroux technologiques Turbomachines inhabituelles : Compresseur chaud Turbine froide Argon Rapport de pression peu élevé Régénérateurs : Echanges thermiques intenses Faibles pertes de pression Grande plage de température (-70 C, 1000 C)

46 Le stockage de l hydrogl hydrogène Une solution pour stocker l énergie de sources intermittentes (éolienne ou solaire par exemple) Solution mature insatisfaisantes: - Compression hyperbare délicate sur de gros volumes -Stockage cryogénique : solution high-tech peu réaliste au niveau industriel Stockage solide sur hydrures de Mg

47 Hystory (2006) Nesshy (2008)

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49 Réservoir à MgH 2 MgH 2 T maintenue à 300 C Mg Taux d hydruration Inox + Alu Mg initialement Chargement en H 2 à 300 C et 0,75 MPa

50 Amélioration de la conductivité thermique Mélange MgH 2 + Graphite Naturel Expansé (GNE) 5 %m. Compression uniaxiale du mélange (1 t/cm²) Disques usinables Faible réactivité à l air Brevet F

51 Axe de compression MgH 2 GNE 200 µm 100 µm Dans le plan de compression Dans l axe de compression

52 récupération de l él énergie d absorptiond dans un MCP MCP hydrure

53 Nécessité d identifier un MCP (cahier des charges contraignant) Micrographies de MCP testés (et brevetés)

54 Réservoir de 10 kg d hydrure de magnésium

55 Conclusion Les recherches sur les échangeurs sont souvent liées à une nouvelle application Beaucoup reste à faire sur les échanges diphasiques (assèchement, distribution, ) Montée «en puissance» des MCP et du stockage Développement rapide de la filière solaire