Stockage inter saisonnier de l'énergie solaire par procédé thermochimique Lingai LUO Directeur de recherche CNRS LTN-UMR CNRS 6607, Nantes Nolwenn Le Pierres LOCIE-Université de Savoie Stockage de l'énergie Quelles technologies? pour quelles applications? pour quand? Mardi 3 et Mercredi 4 décembre 2013, Paris
Stockage de l énergie solaire inter saisonnier? paradoxe : Contexte: Bâtiment (46% de l énergie en France) Disponibilité et besoin (kwh/mois) 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Insuffisant Ensoleillement moyen sur 10 m 2 de capteur solaire Besoin de chaleur d une maison RT2005-type de 120 m 2, 4 habitants Excédentaire insuffisant J F M A M J J A S O N D mois Stockage inter saisonnier
Objectifs et positionnement du projet Développer un procédé innovant pour le stockage inter saisonnier de l énergie solaire sous forme de potentiel chimique par procédé absorption pour couvrir les besoins de chauffage dans l habitat Projet ANR : PROcédé pour le Stockage Solaire Inter Saisonnier PROSSIS (2008-2012), PROSSIS2 (2012-2016) (LOCIE, LEGI, LAGEP, CEA-Leth, CIAT, IRCELYON, LTN)
Choix de systèmes de stockage Densité de stockage énergétique élévée (kwh/m 3 ) ; Stabilité thermique et mécanique des matériels ; Perte thermique faible ; Intégration facile dans le système du bâtiment ; Impact d environnement faible ; Maintenance facile ; Système compact ; Cout faible...
Stockage de l énergie thermique par procédés thermochimiques (Yu, Wang and Wang, Progress in Energy and Combustion Science)
PRINCIPE DU STOCKAGE PAR ABSORPTION Phase de charge Désorbeur Condenseur 7
PRINCIPE DU STOCKAGE PAR ABSORPTION Phase de décharge Absorbeur Évaporateur 8
Principe de fonctionnement du procédé d absorption Été (charge) Procédé de stockage à absorption LiBr/H 2 O vapeur Capteur solaire 70 o C Échangeur souterrain Générateur Condenseur 30 o C SR SP Hiver (décharge) Solution Riche (LiBr/H 2 O) solution pauvre (LiBr/H 2 O) Réservoir d eau (H 2 O) SR SP Échangeur souterrain Absorbeur Évaporateur 10 o C Plancher chauffant >30 o C vapeur
PROTOTYPE CONSTRUIT (conception compacte) Mesure de niveau Réservoir d eau Réacteur Secondaires des échangeurs (externes) Mesure de pression Réservoir de solution entouré d un plexiglas Débitmètres volumiques Débitmètres massiques Pompe de solution 10
LE RÉACTEUR (désorbeur-condenseur, absorbeur-évaporateur) Conduits de vapeur Principe de l échangeur Solution ou eau Chambre de distribution Calandre Condenseur/Évaporateur Désorbeur/absorbeur Circuits des caloporteurs Écran anti-rayonnement Assiettes de collecte de solution ou de condensat Chicane Tube Caloporteur 11
CHOISIR LE COUPLE DE SORPTION: un casse tête chinois... non corrosivité
CHOIX DU MATÉRIAU DE STOCKAGE Étude de 7 couples d absorption possibles Couple retenu: LiBr H 2 O Bien connu dans les procédés à absorption: bien documenté Températures de fonctionnement adaptées Mais... coût élevé Pour cette étude préliminaire de démonstration de la faisabilité du stockage, ce couple devrait permettre d obtenir des résultats représentatifs. 500 400 300 200 100 0 Densité de stockage kwh m -3 LiCl H 2 O LiBr H 2 O KOH H 2 O NaOH H 2 O CaCl 2 H 2 O H 2 O NH 3 Glycérine H 2 O 13
INTÉRÊT DE LA CRISTALLISATION Solution x = 55% Vapeur d eau Eau Augmentation de la quantité d eau stockée disponible pour l absorption Vapeur d eau Solution saturée x = 58% Solution + cristal x = 60% Vapeur d eau Eau Eau augmentation de la chaleur d absorption à récupérer Cristallisation augmentation de la densité de stockage mais ajoute une complexité: comment assurer la circulation de la solution? 14
LiBr/H 2 O Conditions opératoires Sans cristallisation Pressure (mbar) Pure water Concentration of LiBr kg salt/kg solution C 2 3 E 1 Crystallization line 4 Temperature ( o C)
LiBr/H 2 O Condition opératoire Avec apparition de cristaux dans le réservoir pendant la transition de l'été à l'hiver Pressure (mbar) Pure water Concentration LiBr mass of LiBr fraction kg salt/kg solution C 2 3 E 1 Crystallization line 4 5 Temperature ( o C)
LE RÉSERVOIR DE SOLUTION Solution rentrant dans le réservoir Mesure de niveau Entrée de la solution Flotteur Prise Plexigla s Colonne de verre Entrée de la solution dans le réservoir Tuyau de prélèvement Solution sortant du réservoir Pompe de solution 17
Pilote de cristallisation : 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 Présence de produits de corrosion au font de cuve Cristaux jusqu à 75% de hauteur de cuve
Maîtrise de la cristallisation du LiBr dans la cuve de stockage 75 Concentration massique en LiBr,% 70 65 60 55 50 45-55 -35-15 5 25 45 65 85 105 Temperature ( C) By DA Boryta By WF Linke By KN Duvall By JJ Kessis By TN Knoxville Present Échangeur de chaleur Solubilité du LiBr en fonction de la température Impact sur les bilans Nucléation peu affectée par la présence d un support Dépôt du solide au fond de la cuve Dépôt du solide en fond de cuve Nucléation hétérogène Nucléation hétérogène sur support favorable sur paroi froide Maîtrise des conditions d écoulement dans la cuve
MODÉLISATION DYNAMIQUE DU PROCÉDÉ Besoin de chauffage et Données météorologiques à Chambéry Apports solaires T bi T sci Plancher chauffant T bo Chaleur vers le plancher chauffant Capteur solaire T sco Générateur m g,t gi m g,t go m 2v, P 2v, T 2v T 2 m 2o, x 2o, T 2o m 1i, x 1i, T 1i m 2i, x 2i, T 2i Solution de LiBr Vapeur d eau V m c,t ci m c,t co Chaleur échangée avec l environnement m 3v, P 3v, T 3v m 3o, T 3o m 4i, T 4i Condenseur/ Évaporateur m 3i,T 3i T 3 Eau liquide M 1liq, M cr Réservoir de x 1, T 1 solution W 1 m 1o, x 1o, T 1o M 4 T 4 Réservoir d eau W 4 m 4o,T 4o (bilan global de masse) (bilan du sel LiBr) (bilan d énergie) N TSOUKPOE, LE PIERRÈS and LUO, Energy 2013 20
Résultats de simulations dynamiques Pour une maison passive, 120 m², 1800 kwh, avec LiBr/eau Features Unit No cristal With cristal Surface of flat solar collectors m² 13 15 Total mass of anhydrous LiBr salt in the storage t 18.4 6.9 Useful volume of the solution of LiBr storage tank m 3 22.3 9.0 Useful volume of the water storage tank m 3 3.8 3.8 Maximum mass fraction of LiBr in the store wt% 58.1 68.2 Mean supply temperature of the heat transfer water to the building C 33 34 Yield % 32 32 Water: 188 kj/kg (35 m 3, 35/80 C) Without cristal: 350 kj/kg LiBr (22.3 m 3 ) With cristal: 930 kj/kg LiBr (9 m 3 ) + 4 m 3 21/10
SIMULATIONS PARAMÉTRIQUES 50 Influence des conditions de fonctionnement Volume du réservoir de solution Volume du réservoir de solution [m3] 40 40 30 20 10 10 0 Tga = 30 C Tga = 33 C Stockage eau chaude : 35 m 3, 35/80 C Maison passive, 120 m² soit 1800 kwh/an 0 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Fraction Fraction massique massique maximale de de cristal dans le le réservoir de solution de solution 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 22
Caractérisation d un prototype fortement instrumenté m Sonde de température Sonde de pression Débit-mètre volumique Débit-mètre massique Mesure de niveau Circulateur Pompe à vide Vanne manuelle Flotteur Clapet anti-retour Ecran anti-rayonnement Soupape de sécurité Ø 3 8'' Ø 3 8'' Condenseur Générateur Réservoir de solution Réservoir d'eau Ø 1'' Module thermique Ø 1'' Module thermique m m Ø 14 Ø 14 Module thermique SCHÉMA DU PROTOTYPE Module thermique 23
RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX EN PHASE DE CHARGE Évolution des températures Température [ C] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 ΔT très élevée Caloporteur du condenseur Caloporteur du désorbeur UA 70 << 400 W C - 1 Solution sortie du désorbeur T2i: solution à l'entrée du désorbeur T2o: solution à la sortie du désorbeur Tgi: caloporteur à l'entrée du désorbeur Tgo: caloporteur à la sortie du désorbeur Tci: caloporteur à l'entrée du condenseur Tco: caloporteur à la sortie du condenseur 10 0 Solution entrée du désorbeur 09:27 09:57 10:27 10:57 11:27 11:57 12:27 Période de test N TSOUKPOE, LE PIERRÈS and LUO, Energy 2013 T3: température de saturation de l'eau dans le réacteur 24
RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX EN PHASE DE CHARGE Concentration en LiBr [kg/kg] 58.0% 57.5% 57.0% 56.5% 56.0% 55.5% 55.0% 54.5% Évolution des concentrations et masse d eau désorbée x2i: solution entrant au désorbeur x2o: solution sortant du désorbeur x1: réservoir de solution (globale approximative) Masse totale d'eau désorbée Δx 1 m% 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 Masse d'eau désorbée [kg] 54.0% 09:27 09:57 10:27 10:57 11:27 Période de test 0.0 25
RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX EN PHASE DE DÉCHARGE 34 Température [ C] 32 30 28 26 24 22 20 18 Évolution des températures T 2o : solution à la sortie de l absorbeur T gi et T go : caloporteur à l entrée et à la sortie de l absorbeur 16 14 12 T ci : caloporteur à l entrée de l évaporateur T 3i et T 3o : eau (absorbat) à l entrée et à la sortie de l évaporateur 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 Période de test T 2i : solution à l entrée de l absorbeur Conception d absorbeur inadaptée!
VALIDATION DE LA MODÉLISATION 70 60 Température [ C] 50 40 30 20 T2 Sim Tco Sim T1o Sim T2 Exp Tco Exp T1o Exp 10 0 0.575 Comparaison: résultats relativement acceptables Concentration en LiBr [kg/kg] 0.57 0.565 0.56 0.555 0.55 0.545 0.54 x2o Sim x1o Sim x2o Exp x1o Exp 0.535 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 Période de test 27
Défis scientifiques et technologiques Choix des matériaux: analyse multicritère Étude de la stratification en présence de cristallisation dans le stockage Fonctionnement en dépression Optimisation des transferts Été: stockage Phénomène endothermique Séparation des réactifs Conservation des réactifs à température ambiante Hiver: utilisation Phénomène Exothermique Mélange de réactifs Analyse énergétique et exergétique des cycles Augmentation de la densité énergétique du stock: cristallisation possible Intégration énergétique du procédé dans le bâtiment et couplage avec le système solaire Marché potentiel?
PRINCIPALES CONCLUSIONS PROSSIS Le stockage d énergie solaire à long terme par procédé d absorption est possible et la cristallisation s avère prometteuse (300 kwh m -3 d après les simulations dynamiques avec le LiBr) 7 m 3 de réservoir de solution pour une Maison Passive de 120 m² (1800 kwh annuels) Un prototype a été testé dans des conditions compatibles avec une installation solaire domestique: le stockage thermique a été prouvé Charge : puissance de 2-5 kw et 13 kwh de chaleur stockée Décharge: température d absorption satisfaisante mais conception de l absorbeur à modifier 29
PROSSIS2 : Conception des échangeurs et intégration dans le prototype global : 2 à 3 kw, stockage 15 kwh Distributeur Evaporateur Absorbeur Plaques de séparation Échangeurs de chaleur et de masse à films tombants 30
PROSSIS 2 : Modélisation des échangeurs par approche nodale et couplage des échangeurs 31
PROSSIS2 : 147 sels possibles, classés en fonction de leur coût, solubilité, toxicité 12 sels présélectionnés 7 sels sélectionnés pour mesurer des pressions de vapeur pour élaboration des diagrammes de Dühring 32
PROSSIS 2 : Spécifications et marchés: - Verrous «Résidentiel Individuel» identifiés (Coût investissement, Encombrement, Acceptabilité, Maintena nce, Réglementation RT2012) - Cible «Résidentiel Collectif»: puissance de l ordre de 30 kw pour répondre à la plupart des besoins + appoint pour les pics de puissance par grand froid. - Cible «Tertiaire (Bureaux)»: Besoins important s de refroidissement, Besoins ECS : Faible, Besoins Chauffage : faibles, => autres cibles possible Tertiaire Hôtellerie, EHPAD - Cible «Industrielle»: à étudier en fonction du couple choisi 33
Résultats majeurs attendus de PROSSIS 2: - Couple innovant de sorption utilisable identifié et caractérisé - Échangeurs de chaleur et de masse à films tombants optimisés et testés en sorption et changement de phase basse pression - Cristallisation caractérisée et maîtrisée - Prototype global amélioré et testé avec nouveaux échangeurs et nouveau couple - Modèle détaillé du procédé validé (échangeurs, couple, cristallisation) - Insertion sur le marché définie 34