Séminaire mi parcours Stock-e 2010 Stockage Inter Saisonnier de l Énergie Thermique dans les Bâtiments Kévyn JOHANNES, Laboratoire CETHIL, Kevyn.johannes@insa-lyon.fr
Coordinateur : CETHIL Organismes de recherche : o IRCELYON o LOCIE Entreprises : o EDF o CETIAT Projet labélisé par le(s) pôles(s) de compétitivité : TENERDIS, AXELERA Budget (M ) Aide (M ) Nombre de personnes.ans 1722 k 750k 15,5 Date de démarrage : 02/02/11 Date de fin : 02/02/14 2 2
Objectifs du projet : Développer, optimiser et réaliser le prototype d un système de stockage de chaleur thermochimique à l échelle 1:1 Puissance? Energie? Modèles? Géométrie? Matériaux? 3 3
Défis scientifiques et techniques : o Comprendre les mécanismes physiques des transferts de chaleur et de masse o Déterminer le matériau optimal au coût idéal et compatible avec l application o Concevoir et optimiser le réacteur thermochimique o Gérer et réguler de façon optimale le système global Résultats majeurs escomptés : o Un prototype à l échelle 1:1 d un réacteur thermochimique o Des modèles numériques validés de tels réacteurs o Le matériau optimal pour l application o Publications et brevets sur les connaissances acquises 4 4
Programme de travail et jalons : Taux de Réalisation 100% 100% 10% 5% 20% 5 5
Tâche 2 : Etudes préliminaires Définir les besoins de chauffage pour un bâtiment type BBC Définir les puissances maximales appelées Définir la quantité d eau disponible pour la réaction thermochimique 2 cas d études bâtiments BBC: o Maison INCAS 100 m² sur 2 niveaux + panneaux solaires o Maison Mozart 100 m² sur 1 niveau + panneaux solaires Loi de commande des panneaux solaires Priorité au chauffage 6 6
Besoins de chaleur pour la maison INCAS 7 7
Volume de stockage pour la maison INCAS Densité volumique de stockage : 344 kwh/m 3 [200 kwh/m 3-400 kwh/m 3 ] 8 8
Mass loss (%) Tâche 3 : Caractérisation et développement des matériaux Heat Flow (mw) Les hydrates de sels o Sulfate de magnésium hexahydraté (MgSO 4.6H 2 O) 0-10 MgSO 4.6H 2 O(s) MgSO 4.3H 2 O(s) + 3.0H 2 O(g) MgSO 4.3H 2 O(s) MgSO 4.0.3H 2 O(s) + 2.7H 2 O(g) 8 6 4 Déshydratation (charge) de MgSO 4.6H 2 O réalisée à partir de la chaleur obtenue par un capteur solaire. -20-30 -40-50 2 0-2 MgSO 4.0.3H 2 O(s) MgSO 4 (s) + 0.3H 2 O(g) -4-6 41.8% -8-10 49.7% -12 50 100 150 200 250 300 Temperature ( o C) Analyse TG-DSC de MgSO 4.6H 2 O: à la température de 150 C, 41.8 % perte de masse (H 2 O). (86 % déshydraté) Chaleur de désorption= 60 kj/mol de H 2 O ou 2300 J/g échantillon. 9 9
160 Mass loss (%) Heat Flow (mw) Les hydrates de sels o Chlorure de magnésium hexahydraté (MgCl 2.6H 2 O) MgCl 2.6H 2 O(s) MgCl 2.4H 2 O(s) + 2H 2 O(g) Temperature ( o C) Mass loss (%) Heat Flow (mw) 0 0 140-10 -5 Temperature ( o C) 120 100 80 60 MgCl 2.4H 2 O(s) MgCl 2.2H 2 O(s) + 2H 2 O(g) MgCl 2.2H 2 O(s) MgCl 2.1H 2 O(s) + 1H 2 O(g) -20-30 -10-15 -20 40 46% loss -40-25 20 0 50 100 150 200 250 Time (min) MgCl 2.6H 2 0 peut perdre 5 molécules d eau à 150 C, ce qui correspond à environ 92 % de déshydratation, et stocker de la chaleur (61 kj/mol de H 2 O ou 2731 J/g de matériau). -50-30 10 10
Expérimentation TG-DSC 1. Déshydratation à 150 o C (vitesse de chauffage de 2 o C/min, puis plateau de 4h à 150 o C) 2. Hydratation (RH = 50 %, p vapeur 1.3 kpa); Température d adsorption= 19 o C 3. Déshydratation (150 o C) 4. Hydratation (19 o C) 5. Déshydratation (150 o C) 11 11
Temperature ( o C) Heat Flow (mw) Mass gain H2O (mg) Heat Flow (mw) Zeolite 13X (Na-X) 150 100 B A 50 0 100 200 300 Time (min) Sample Temperature ( o C) 1st Heat Flow (mw) 2nd Heat Flow (mw) 3rd Heat Flow (mw) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0-5.5 5 4 3 2 1 A 11 h 0 0 200 400 600 800 B Time (min) Mass gain of H2O (mg) Heat Flow (mw) 0.2 0.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2 Conditions: Déshydratation (1, 3, 5) Hydratation (2 & 4) Déshydratation à 150 o C, puis hydratation à 19 o C, p sat = 2.6 kpa, p vapeur = 1.3 kpa. RH = 50 % 12 12
Heat of Hydration/Dehydration (kj/mol of H2O) Heat of Hydration (J/g of material) Analyses TG-DSC des Zéolites 100 90 Hydration heat (kj/mol H2O) Hydration heat (J/g of material) Dehydration heat (kj/mol H2O) 1000 900 80 800 70 60 50 40 30 20 10 0 Zeolite 13X Mordenite Zeolite Y (Na) Zeolite Y (H) 700 600 500 400 300 200 100 0 13 13
Heat of Hydration/Dehydration (kj/mol of H2O) Heat of Hydration (J/g of material) Analyses TG-DSC des composites Zeolite 13X (Na-X) MgSO 4 (0 15wt.%) Hydration Heat (kj/mol H2O) Hydration Heat (J/g of material) Dehydration Heat (kj/mol H2O) 100 1000 90 900 80 800 70 60 50 40 30 20 10 0 Zeolite 13X 13X - 5% MgSO4 13X - 10% MgSO4 13X - 15% MgSO4 700 600 500 400 300 200 100 0 14 14
Tâche 4 : Modélisation et optimisation du réacteur thermochimique Comprendre les mécanismes de transfert de chaleur et de masse dans le réacteur o Réaliser un modèle simplifié Méthodologie employée : Validation expérimentale sur un module ayant la taille d un VER Volume élémentaire représentatif (VER) Influence de la conductivité thermique, du coefficient de diffusion, de la cinétique de réaction Validation à l échelle de la bille Bille: milieu continu équivalent Paquet de billes Réacteur Echanges avec la paroi? Pertes de charge? Dispersion axiale? Validation expérimentale: prototype de réacteur à dimensionner Profil de vitesse? (validité de l hypothèse écoulement piston par exemple), effet du profil de porosité, pertes de charge? Définition du VER: entrées, sorties, hypothèses simplificatrices 15 15
Analyse des transferts de chaleur et de masse à l échelle de la bille o Conduction négligeable? (calcul des nombres de Biot thermique et massique) o Formulation des hypothèses simplificatrices Etude à l échelle du paquet de billes o Domaine de simulation Couche limite fluide déterminée par : D où la couche limite thermique : o Indépendance au maillage 16 16
Tâche 5 : Réalisation du prototype et test Cahier des charges o Température maxi de l air dans le réacteur : 250 C o Matériau composite identifié pour la première version du réacteur : zéolithe Na-Y o Besoins ciblés : couvrir les 22j les plus froids /an o Dimensionnement : Puissance de chauffage maxi : 2,5 kw Volume de Na-Y à prévoir : 280 l o Structure du réacteur : Caissettes contenant le matériau assemblable à façon Isolation autour du réacteur et entre caissettes 17 17
Tâche 6 : Modélisation numérique du système thermochimique intégré au bâtiment Modélisation de base du système Données Climatiques Chaleur Humidité Bâtiment & Composants Auxiliaires (Échangeurs, humidificateurs, etc..) Énergie Solaire Chaleur Humidité Capteurs Solaires Chaleur Dispositif de Stockage de Chaleur 3 blocs interconnectés : o Les capteurs solaires thermiques capteurs à air sous vide o Le bâtiment et composants auxiliaires (ventilateur, filtres, échangeur ) o Le dispositif de stockage en lui même (réacteur et réservoir) 18 18
Etape 1 : modélisation du capteur solaire o Formulation du problème et des hypothèses o Modélisation dans l environnement DYMOLA o Validation par comparaison aux résultats expérimentaux Tube sous-vide débit = 14.9 ±0.9 kg/(h.m 2 ) Température à la sortie du 1 er tube Température à la sortie de chaque tube 19 19
Conclusions : Cahier des charges réalisé pour le prototype démarrage tâche 5 D autres matériaux ont été identifiés comme candidats potentiels Verrou à lever sur l utilisation du MgSO 4 Réalisation du modèle de réacteur débutée ( retard par rapport au planning) Modèle global intégré au bâtiment en cours de développement Globalement, l état d avancement du projet est de 45 % Retombées et perspectives scientifiques et industrielles : Publications (2 ACL, 2 ACTI) Brevet prototype? 20 20
Merci pour votre attention 21 21