Procédé thermochimique solide/gaz et stockage thermique : exemple du stockage intersaisonnier pour l'habitat

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1 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

2 Procédés thermochimique & stockage thermique Stored Heat (kwh/m3) décomposition endothermique => stockage de chaleur G gaz Gliq+ DH v <S,nG> + mg <S,n+mG> + m ΔH r synthèse exothermique => restitution de chaleur Densité énergétique élevée : kwh /m 3 PCM : kwh/m 3 chaleur sensible: kwh/m 3 Peu de pertes thermiques dans le temps stockage sous forme de potentiel chimique Couples réactifs dans une large gamme de température Reaction S/G H 2 / Hydrides Reaction S/G H 2 O/ Hydrates Reaction S/G NH 3 / Ammoniates Reaction S/G H 2 O/ Hydroxides 200 Adsorption 100 Absorption S/G L/G Useful Temperature ( C) Reaction S/G CO 2 / Carbonates Nathalie MAZET SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris - 2 -

3 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 m 2 de plancher, 20 m 2 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 -

4 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 <SrBr 2,1H 2 O> + 5H 2 O <SrBr 2,6H 2 O> + 5ΔH r 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 -

5 MILIEU POREUX : perméabilité Perméabilité selon Darcy - dans une gamme de mise en œuvre : Dec= 300 à 600 kwh/m 3 - aux 2 bornes de la réaction : k 0 et k 1 SrBr 2,H 2 O SrBr 2,6H 2 O Porous bed support Heater Porous bed Humidifier reactive p t = p atm + Δp p atm T Fan : Δp = 500 Pa V = 600 m 3.h -1 Δp T, p Supports perforés Lit réactif T T, p T, u Nathalie MAZET SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris - 5 -

6 Perméabilités aux bornes de la réaction Lit de sel deshydraté, k 0 Lit de sel hydraté, k 1 2E Perméabilité k 0 (10-12 * m 2 ) 100 1E-10 Perméabilité k 1 (10-12 * m 2 ) 2E E-11 2E E E , E-13 Densité énergétique du lit poreux Dec (kwh.m -3 ) k décroit de 3 ordres de grandeur pour Dec x 2 k 1 < k 0 d un ordre de grandeur Nathalie MAZET SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris - 6 -

7 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 -

8 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 -

9 Limitation principale : avancements locaux, production d entropie Système fermé, sous vapeur pure X g = 0,14 Entrée de vapeur Système ouvert, flux d air humide Avancement Entrée d air humide Sortie de chaleur Sortie d air humide X g = 0,5 Déplacement front de réaction Déplacement front de réaction 2,5E-03 2,0E-03 1,5E-03 1,0E-03 5,0E-04 Production d entropie (W.m -1.K -1 ) chimique thermique massique Limitation thermique 1E-02 8E-03 6E-03 4E-03 2E-03 Production d entropie (W.m -1.K -1 ) massique Limitation massique 0,0E ,2 0,4 0,6 0,8 1 Avancement 0E ,2 0,4 0,6 0,8 1 Avancement - 9 -

10 4) Performances simulées selon le protocole - à volume réactif total constant - DE réactif = 450 kwh/m 3 - 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

11 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

12 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

13 P(bar) Couples réactifs à haute température CaO +H2O Ca(OH) ,1 0,01 0,001 MgO/Mg(OH)2 CaO/Ca(OH)2 SrO/Sr(OH)2 BaO/Ba(OH)2 MnCl2(0-1) MgCl2(0-1) T( C) Nathalie MAZET SFT Groupe Thermodynamique, 7 février 2014, Paris

14 température ( C) 1 er tests CaO / Ca(OH) Reactive bed T1ReaCen Tr2 T5Fap T9Fap Tefum Tsfum TevapLiq steam 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

15 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. mazet@univ-perp.fr