Stockage d'énergie en souterrain Thermodynamique des cavités

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Caroline Monique Laurent
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1 Stockage d'énergie en souterrain Thermodynamique des cavités Faouzi Hadj-Hassen Centre de Géosciences MINES ParisTech 27/11/2014 Institut Mines-Télécom

2 Sommaire Contexte général du stockage de l'énergie Les milieux naturels de stockage Les cavités minées Les cavités salines Le stockage d'énergie avec cycles rapides Le stockage d'air comprimé Le stockage de CH 4, H 2, O 2 et CO 2 Stratégie de recherche Illustrations Conclusions - Perspectives 2

3 1. Contexte général Stockage souterrain d'hydrocarbures liquides et gazeux : technique mature Dérégulation du marché du gaz : Cycles de plus en plus rapides Stockage de l'électricité produite par des énergie renouvelables Air comprimé Electrolyse et méthanation : H 2, O 2, CO 2 et CH 4 Nouveaux modes de stockage : cycles rapides (quotidiens) Fortes sollicitations des cavités avec une prédominance des effets thermiques Nouvelle approche pour optimiser le stockage et garantir sa sécurité 3

4 2. Les milieux naturels de stockage 2.1 Cavités minées dans des roches compétentes 115m 52m 35m Source GDF Source Geostock 4

5 2.2 Cavités salines 2. Les milieux naturels de stockage Sel en couche (source GDF) Sel en dôme (source GDF) 5

6 2.2 Cavités salines 2. Les milieux naturels de stockage Source GDF Création des cavités par dissolution Technologie maitrisée pour l'exploitation du sel ou pour le stockage d hydrocarbures 6

7 3. Les stockages à cycles rapides 3.1 CAES : Compressed Air Energy Storage Chaleur de compression perdue Apport d énergie thermique nécessaire lors de la détente (production de CO 2 ) Rendement électrique faible : ~ 50 % 7

8 3. Les stockages à cycles rapides 3.1 CAES : Compressed Air Energy Storage 2 installations commerciales existantes Huntorf (RFA, 1978, 290 MW) McIntosh (USA, 1991, 110 MW) Huntorf : 2 cavités salines de m 3, pression entre 4.8 et 6.6 MPa, 3 h de soutirage McIntosh : une cavité saline de m 3, pression entre 4.5 et 7.4 MPa, 26 h de soutirage Air refroidi pour réduire les contraintes thermiques Nouveau projet aux USA : CAES de 1,2 GW/50h dans l Utah (4 cavités salines de 1.2million m 3 ) 8

compression dans un régénérateur de chaleur : TES Stockage pneumatique dans une cavité

9 3. Les stockages à cycles rapides 3.2 AA-CAES : Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage Stockage de la chaleur de compression dans un régénérateur de chaleur : TES Stockage pneumatique dans une cavité (Lined Rock Cavern ou cavité saline) Restitution de l énergie stockée, sans apport extérieur, donc sans émission de CO 2 Rendement : ~ 70 % 9

cavités minées (200 MW) TES-MP LRC 2 TES-HP LRC 1 Cavité Pression max (bar) R int Rext

10 3. Les stockages à cycles rapides 3.2 AA-CAES : Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage Projet SEARCH (ANR) - Stockage en cavités minées (200 MW) TES-MP LRC 2 TES-HP LRC 1 Cavité Pression max (bar) R int Rext Profondeur Hauteur Volume utile TES MP 33 bar 9 m 11 m 45 m 50 m m3 TES HP 150 bar 10 m 12 m 73 m 45 m m3 LRC (x2) 150 bar 18 m 19 m 100 m 74 m m3 10

11 3. Les stockages à cycles rapides 3.2 AA-CAES : Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage Projet ADELE (RWE, RFA) - Stockage en cavités salines et TES aériens 11

12 3. Les stockages à cycles rapides 3.3 Stockage de gaz : CH 4, H 2, O 2, CO 2 Concept EMO (Electrolysis Methanation Oxy-fuel, ANR) Stockage en cavités salines 12

13 4. Stratégie de recherche Caractériser et modéliser le comportement de la roche hôte et des fluides stockés Développement d'essais en laboratoire et modélisation rhéologique de la roche Lois d'état de l'air comprimé et des autres gaz (collaboration avec le CTP) Mettre en œuvre des approches phénoménologiques permettant l optimisation de l ensemble de l opération de stockage Développement d'outils numériques élaborés (1D, 2D, 3D) Forte collaboration avec les exploitants pou accéder à des mesures insitu et valider les développements 13

14 4. Stratégie de recherche 4.1 Caractérisation des matériaux et des fluides Comportement thermomécanique du sel : endommagement, sollicitations cycliques 14

15 4. Stratégie de recherche 4.1 Caractérisation des matériaux et des fluides Développement de modèles pour : l'air humide (modèles limités à 5 MPa et 473 K) : stockage d'air comprimé les autres gaz : CH 4, H 2, O 2 et CO 2 : Power to Gas la saumure 15

16 4. Stratégie de recherche 4.2 Développement d'outils numériques adaptés CYSIF : résolution semi-analytique des problèmes thermo-hydro-mécaniques autour de vides souterrains cylindriques ou sphériques. VIPLEF : résolution de problèmes thermo-hydro-mécaniques pour des structures à 2 ou 3 dimensions y compris sous des sollicitations dynamiques. DEMETHER : résolution des problèmes thermodynamiques liés aux stockages d'énergie dans des cavités souterraines : Circulation de fluides dans différents compartiments. Couplage entre puits - massif autour puits - cavité - massif autour cavité. 16

17 4. Stratégie de recherche 4.2 Développement d'outils numériques adaptés Réseau complexe de cavités Cavité alimentée par un ou plusieurs puits Puits pouvant avoir plusieurs compartiments avec plusieurs fluides Caractère tridimensionnel (réseau, écoulement dans le puits et dans la cavité... ) Hétérogénéité des formations géologiques Mobilité 3D de la paroi en mode lessivage Sollicitations thermomécaniques à la paroi de la cavité pouvant induire des grandes déformations Nécessité de lois rhéologiques précises Très fort contraste entre les dimensions du puits, de la cavité et du massif (peut constituer un handicap majeur pour les modèles numériques) Complexité de la modélisation des échanges entre la cavité et son environnement Présence d insoluble, foisonnement 17

18 4. Stratégie de recherche 4.2 Développement d'outils numériques adaptés 18

19 5. Illustrations 5.1 Stockage d'air comprimé en cavités minées 19

20 5. Illustrations 5.2 Stockage de gaz en cavités salines Géométrie complexe du problème Historique d'exploitation des cavités en gaz 20

21 5. Illustrations 5.2 Stockage de gaz en cavités salines Historique Pression-Température Déviateur de contraintes 21

22 6. Conclusions Perspectives Autres domaines d'application 22

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