PROSSIS. PROcédé de Stockage Solaire Inter-Saisonnier. Lingai LUO. LOCIE-CNRS-Université de Savoie. ANR-07-Stock-E-08

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1 PROSSIS PROcédé de Stockage Solaire Inter-Saisonnier ANR-07-Stock-E-08 Lingai LUO LOCIE-CNRS-Université de Savoie

2 Le projet PROSSIS Titre : PROcédé pour le Stockage Solaire Inter Saison Partenaires : - LOCIE, CNRS-Université de Savoie (Coordinateur) - LEGI, CNRS-Université Joseph Fourier, Grenoble - LAGEP, CNRS-Université Claude Bernard Lyon 1 - CEA-INES - CIAT Date de début : 01/12/2007, Date de fin : 30/05/2012

3 Disponibilité et besoin (kwh/mois) Rappel du contexte et des enjeux paradoxe : Ensoleillement moyen sur 10 m 2 de capteur solaire Besoin de chaleur d une maison RT2005-type de 120 m 2, 4 habitants Surchauffe possible insuffisant insuffisant mois Stockage intersaisonnier

4 Objectifs et positionnement du projet Développer un procédé innovant pour le stockage intersaisonnier de l énergie solaire sous forme de potentiel chimique par procédé absorption pour couvrir les besoins de chauffage dans l habitat

5 Défis scientifiques et technologiques Choix des matériaux: analyse multicritère Étude de la stratification en présence de cristallisation dans le stockage Fonctionnement en dépression Été: stockage Conservation des réactifs Hiver: utilisation Optimisation des transferts Phénomène endothermique Séparation des réactifs à température ambiante Phénomène Exothermique Mélange de réactifs Augmentation de la densité énergétique du stock: cristallisation possible Analyse énergétique et exergétique des cycles Intégration énergétique du procédé dans le bâtiment et couplage avec le système solaire

6 Choix d un système de stockage Forme de stockage Chaleur sensible Chaleur latente Chaleur de sorption solide liquide Densité énergétique [J/m 3 ] Résultats Etat de développement Chaleur de réaction chimique Système d absorption : températures de fonctionnement adaptées, densité élevée, très peu étudié Choix du couple : multi-critères LiBr/H2O : base de données, températures de fonctionnement adaptées

7 Procédé de stockage à absorption LiBr/H 2 O Été (charge) vapeur Capteur solaire 60 o C Générateur Condenseur 30 o C Échangeur souterrain SR SP Hiver (décharge) Réservoir de solution (LiBr/H 2 O) Réservoir d eau (H 2 O) SR SP Échangeur souterrain Absorbeur Évaporateur 10 o C Plancher chauffant >25 o C vapeur

8 Prototype m Sonde de température Sonde de pression Débit-mètre volumique Débit-mètre massique Indicateur de niveau Circulateur Pompe à vide Vanne manuelle Flotteur Clapet anti-retour Ecran anti-rayonnement Soupape de sécurité Ø 3 8'' ; 18 l/h; kg/h Ø 3 8''; 18 l/h Condenseur Générateur Réservoir de solution Réservoir d'eau Ø 1'' ; 360 l/h Module thermique Ø 1'' ; 360 l/h Module thermique m a m Ø 14 Module thermique Ø 14 Module thermique

9 Prototype

10 Réacteur Conduite vapeur évaporateur et condenseur Absorbeur et désorbeur Conduite fluide secondaire Conduite fluide secondaire Pots de collecte de la solution ou du Condensat

11 Température [ C] Résultats expérimentaux en phase de charge T2i: solution entrant au désorbeur T2o: solution sortant du désorbeur Tgi Tgo Tci Tco 10 T3: température de saturation dans le 0 réacteur 16/09/ :27 16/09/ :57 16/09/ :27 16/09/ :57 16/09/ :27 16/09/ :57 16/09/ : Période de test

12 Concentration en LiBr [kg/kg] Résultats expérimentaux en phase de charge 57.5% 57.0% 56.5% 56.0% 55.5% 55.0% x2i: solution entrant au désorbeur x2o: solution sortant du désorbeur 54.5% x1: concentration globale dans la réservoir de solution 54.0% 16/09/ :27 16/09/ :57 16/09/ :27 16/09/ :57 16/09/ :27 16/09/ :57 16/09/ :27 Période de test

13 Température [ C] Pression [mbar] Résultats expérimentaux en phase de décharge 32 empérature de la solution à l'entrée de l'absorbeur empérature de la solution 30 à la sortie de l'absorbeur 34 empérature de l'eau à l'entrée de l'évaporateur 28 empérature de l'eau à la sortie de l'évaporateur 26 ession dans le réacteur (b) T2i: température de la solution à l'entrée de l'absorbeur T2o: température de la solution à la sortie de l'absorbeur T3i: température de l'eau à l'entrée de l'évaporateur T3o: température de l'eau à la sortie de l'évaporateur P2: pression dans le réacteur (b) :25 15:55 13:55 16:25 14:25 16:55 14:55 17:25 15:25 17:55 15:55 18:25 16:25 18:55 16:55 19:25 17:25 19:55 17:55 1

14 Présence de produits de corrosion au font de cuve Cristaux jusqu à 75% de hauteur de cuve Cristallisation Pilote de cristallisation : Les cristaux se forment au fond de la cuve Réservoir de prototype : La paroi de séparation permet de contrôler sensiblement le dépôt du solide

15 Densité de stockage du LiBr anhydre [kwh/t] Densité de stockage de la solution de LiBr [kwh/m3] Résultats Tga = 30 C - Densité massique Tga = 33 C - Densité massique Tga = 30 C - Densité volumique Tga = 33 C - Densité volumique % 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Ratio maximal de cristallisation La cristallisation permet d augmenter significativement la densité énergétique de stockage La température de restitution (chauffage) a une grande influence sur la densité de stockage 0 Études paramétriques grâce à la modélisation dynamique

16 Conclusions et perspectives Le stockage d énergie solaire intersaisonnier par procédé absorption est possible et la cristallisation s avère prometteuse (triplement de la densité de stockage : 300 kwh m -3 maximum d après les simulations dynamiques) LiBr/H 2 O : un candidat intéressant d un point de vue thermodynamique, mais pas économique Un prototype du système a été construit et testé dans des conditions compatibles avec une installation solaire domestique (trentaine de tests) : - L étape de stockage thermique a été prouvée avec une puissance de 2-5 kw et une capacité de stockage de 8 kwh. - Pour l étape de décharge, la température d absorption obtenue est satisfaisante mais la conception de l échangeur n a pas permis d avoir des puissances de chauffage représentatives. - Pour une maison de 120 m 2, de consommation annuelle 1800 kwh, il faut environ un volume de réservoir de solution de 8 m 3. Un pilote de cristallisation du LiBr a été développé pour étudier les différentes configurations de réservoir et la faisabilité. Une stratification de concentration a été observée, mais pas encore de résultats conclusifs.

17 Conclusions et perspectives - Modification de la conception d échangeur pour la récupération de la chaleur d absorption - Introduction d un économiseur entre les deux solutions pour améliorer l efficacité thermique - Test d autres couples car le coût du LiBr est un facteur limitant - Gestion de la cristallisation en fonction de la métastabilité du couple et introduction d un inhibiteur de cristallisation pour améliorer davantage la densité de stockage - Approche globale du procédé pour optimiser ses performances par une analyse thermodynamique - Étude de marché tenant compte de l impact environnemental et économique Trois publications internationales 1. K.E. N'TSOUKPOE, N. LE PIERRES, L. LUO. Numerical dynamic simulation and analysis of a lithium bromide/water long term solar heat storage system. Energy, 37, , H. LIU, K.E. N'TSOUKPOE, N. LE PIERRES, L. LUO. Evaluation of a seasonal storage system of solar energy for house heating using different absorption couples. ECM 2011;52(6): K.E. N'TSOUKPOE, H. LIU, N. LE PIERRES, L. LUO. A review on long-term sorption solar energy storage. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2009;13(9): Une dizaine de conférences dont quatre internationales

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