Intégration d’un procédé de stockage thermochimique à une centrale solaire thermodynamique

Le marché de l’énergie et plus particulièrement celui de l’électricité est en constante évolution. Afin de répondre au mieux à ces changements dans le secteur de l’énergie il est primordial d’analyser le marché d’hier et d’aujourd’hui afin d’anticiper les exigences à venir et développer les technologies adéquates.

En à peine plus d’un siècle, l’énergie électrique est devenue omniprésente et indispensable dans tous les aspects de la vie quotidienne. Depuis lors, les capacités et les performances des moyens de productions électriques n’ont cessé de croître afin de satisfaire une demande toujours plus importante. Pour répondre à cette augmentation de la consommation, l’humanité a puisé dans un premier temps dans les ressources fossiles classiques. À partir du milieu du siècle dernier, les centrales nucléaires ont commencé à se développer.

Aujourd’hui, alors que la consommation électrique mondiale continue d’augmenter, de nombreux pays industrialisés tendent eux à stabiliser leur consommation et envisagent de la réduire au cours des 40 prochaines années. En effet, les moyens de production qui prédominent aujourd’hui (charbon, fioul, nucléaire) ont prouvé qu’ils n’étaient pas viables sur le long terme (ressources limités, dangers environnementaux…).

D’autres moyens de production d’électricité basés sur des ressources renouvelables existent, mais restent peu employés du fait de la forte variabilité de la ressource. Parmi ces technologies, les centrales solaires thermodynamiques à concentration se sont révélées être d’un grand intérêt du fait de leur très faible impact environnemental et de leur rentabilité à moyen terme. Toutefois, ces procédés sont soumis à des variations temporelles à la fois de la ressource solaire et de la demande électrique. Le développement de systèmes de stockage performants permettant de s’affranchir de ses variations est donc un point clef pour un développement à grande échelle de la technologie solaire thermodynamique.

…d’origine solaire 

Les dispositifs photovoltaïques convertissent l’énergie solaire en électricité qui peut éventuellement être stockée dans des accumulateurs (stockage électrochimique), ces dispositifs peuvent être mis en place à de petites échelles (éclairage urbain), moyennes (habitat individuel), ou grandes échelles (centrale de production électrique). Cette technologie offre toutefois d’assez faibles rendements de conversion (capteurs PV: ≈18%) et le stockage électrochimique à grande échelle reste très coûteux et n’est pas adapté pour le long terme compte tenu de l’auto décharge de ces systèmes. La production d’électricité basée sur cette technologie a été multipliée par 60 entre 2002 et 2012 et le scénario 2DS de l’IEA prévoit encore de la multiplier par 10 d’ici à 2025 .

L’énergie solaire peut également être concentrée au moyen de miroirs et servir de source chaude à un cycle thermodynamique (exemple : cycle de Rankine), on parle alors de centrale solaire thermodynamique à concentration (Concentrating Solar Power). Les CSP se sont développées ces dernières années [9], [10] passant d’une puissance totale installée de 600MW en 2009 à 3,6GW en 2013 [11] et devraient continuer à se développer dans les années à venir [12] passant ainsi de 4,8TWhélec produits en 2012 à 178TWh en 2025   ateignant 11% de la production mondiale en 2050 d’après les scénarios de l’IEA [11] avec un coût de production divisé par 2.

…dans le futur

Outre les solutions existantes, d’autres systèmes de production d’électricité sont encore en développement et pourraient apporter de nouvelles solutions dans les décennies à venir. Les piles à combustible sont l’une des voies étudiées actuellement afin de produire de l’électricité. La majorité des applications concernent le domaine du transport et proposent ainsi une alternative moins polluante que les combustibles fossiles. Récemment, cette technologie s’est développée dans le secteur du bâtiment [13] et sur des installations à grande échelle [14]. Les combustibles utilisés (hydrogène, méthanol [15]…) sont majoritairement issus des filières fossiles, mais d’autres moyens de production tels que la synthèse dans des bioréacteurs [16] ou l’électrolyse de l’eau utilisant l’électricité d’origine photovoltaïque [17] pourraient diminuer l’impact environnemental de ces technologies. Ces technologies nécessitent toutefois l’emploi de matériaux rares et coûteux qui freinent un développement commercial à grande échelle. Un autre verrou est le stockage des combustibles entre les étapes de production et de consommation. Certaines des technologies envisagées ont un potentiel intéressant pour des applications de cogénération (chaleur et électricité).

Les technologies basées sur le principe de la fusion nucléaire contrôlée sont étudiées depuis plus de 60 ans [18] et la recherche dans le domaine s’accélère depuis 2000 [19] avec la conception de nouveaux réacteurs à des fins de recherches militaires et civiles : 1997 : Z Machine [20], 2014 : CFR [21], 2014 : Wendelstein 7-X [22], 2014 : Laser Mégajoule [23], 2020 : ITER [24]. Le principal verrou scientifique qui doit être levé est de réussir à créer puis à maintenir des conditions physiques nécessaires aux réactions de fusion [25]. Un autre défi sera la sécurité de telles installations et leur acceptation sociétale.

Une autre source d’énergie prometteuse pour des applications à petite échelle de production d’électricité est l’énergie hydrothermique. Ces procédés visent à convertir l’énergie thermique des mers (ETM) (en anglais : OTEC : Ocean thermal energy conversion) au travers d’un cycle thermodynamique ayant pour source chaude les eaux de surface et pour source froide les eaux plus profondes [26]. Divers centres de recherches ont conçu des installations de taille industrielle : depuis 1979 : Makai [27], 2013 : OTEC Okinawa [28], 2018 : NEMO Project [29] afin d’augmenter l’efficacité de ces systèmes en développant, par exemple des applications de cogénération [30]. Ces installations sont caractérisées par un faible impact environnemental, seul le rejet des eaux « chaudes » doit être étudié afin de limiter l’impact sur la faune et la flore environnante. L’inconvénient majeur de ces systèmes est qu’ils fonctionnent avec une faible différence de température entre les sources chaude et froide donc à faible rendement maximal théorique (rendement de Carnot < 7%).

Table des matières

NOMENCLATURE
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE I : PROBLÉMATIQUE DE LA PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ ET DU STOCKAGE DE CHALEUR POUR CSP. ANALYSE DE LA PERTINENCE DU COUPLE RÉACTIF CAO/CA(OH)2
Introduction
1. La production d’énergie électrique
1.1. …dans le monde
1.2. …dans l’Union Européenne des 27
1.3. …en France
1.4. …issue de ressources renouvelables
1.5. …d’origine solaire
1.6. …dans le futur
1.7. Conclusion
2. État de l’art des procédés de stockage de chaleur
2.1. Les contraintes du stockage haute température pour CSP
2.1.1. La durée de stockage
2.1.2. Critères de dimensionnement d’un système de stockage pour CSP
2.2. Les systèmes de stockage par chaleur sensible
2.2.1. Stockage actif direct
2.2.2. Stockage indirect
2.3. Les systèmes de stockage par chaleur latente
2.4. Les systèmes thermochimiques
2.5. Conclusion
3. Le couple réactif CaO/Ca(OH)2 et sa pertinence pour le stockage de chaleur haute température
3.1. Disponibilité et coût
3.2. Santé et compatibilité chimique
3.3. Équilibre thermodynamique de la réaction
3.4. Propriétés intrinsèques du matériau réactif pour le stockage thermochimique
3.4.1. Pureté
3.4.2. Diamètre médian
3.4.3. Surface spécifique
3.5. Influence de la mise en œuvre du solide réactif
3.5.1. Les lits fluidisés
3.5.2. Les lits fixes
3.6. Conclusion
Conclusion
CHAPITRE II : ÉCHELLE MATÉRIAU : PHÉNOMÈNES PHYSIQUES, REPRÉSENTATION, ÉVALUATION EN LITS DE RÉACTIFS DE CA(OH)2 AVEC ET SANS GNE
Introduction
1. Phénomènes et paramètres physiques
1.1. Phénomènes physiques
Confidentiel
1.1.1. Cinétique de réaction
1.1.2. Transferts de masse
1.1.3. Transferts de chaleur
1.2. Conditions opératoires
1.3. Paramètres de mise en œuvre
1.3.1. Le gaz réactif
1.3.2. Le solide réactif seul
1.3.3. Le composite réactif
1.4. Corrélations entre paramètres de mise en œuvre et de transferts
1.4.1. Perméabilité
1.4.2. Conductivité thermique
1.5. Conclusion
2. Mesures hors réaction des paramètres de transfert
2.1. Mesures de perméabilités
2.1.1. Principe et validité de la mesure
2.1.2. Mesures de perméabilités sur différents lits réactifs
2.2. Mesures de conductivité thermique
2.2.1. Principe de la méthode Ruban-Chaud
2.2.2. Mesures de conductivités sur 2 composites
2.3. Conclusion
Conclusion
CHAPITRE III : ÉCHELLE RÉACTEUR : EXPÉRIMENTATIONS ET MODÉLISATIONS DE RÉACTEURS THERMOCHIMIQUES POUR LE STOCKAGE DE CHALEUR HAUTE TEMPÉRATURE
Introduction
1. Caractérisation des performances en réaction
1.1. Banc expérimental de caractérisation en réaction
1.1.1. Le réacteur : conception, géométrie, mise en œuvre et dimensionnement
1.1.2. Le système d’évaporation et de condensation
1.1.3. Instrumentation
1.2. Performances expérimentales de composites réactifs
1.2.1. Influence des conditions opératoires
1.2.2. Influence couplée de la densité et de l’épaisseur du lit réactif
1.2.3. Influence de la masse volumique apparente de GNE
1.2.4. Influence de l’origine de l’hydroxyde
1.3. Conclusion
2. Fonctionnement à moyen et long termes
2.1. Analyse des résultats du banc de caractérisation en réaction
2.1.1. Observations macroscopiques de la tenue des composites
2.1.2. Comportement du composite en décomposition
2.2. Conception et réalisation du banc de cyclage
2.2.1. Conception du réacteur du banc de cyclage
2.2.2. Conception du banc de cyclage
2.2.3. Première mise en œuvre du banc de cyclage et résultats
2.3. Conclusion
3. Modélisation 2D d’un réacteur en géométrie cylindrique axiale
3.1. Définition du modèle 2D cylindrique axial
Confidentiel
3.1.1. Présentation générale
3.1.2. Propriétés des différents domaines modélisés
3.1.3. Bilan de masse
3.1.4. Bilan de chaleur
3.1.5. Réaction thermochimique
3.2. Validation du modèle 2D cylindrique axial
3.2.1. Analyse des transferts de chaleur au sein du composite hors réaction
3.2.2. Simulations des transferts de chaleur couplés à la cinétique
3.3. Conclusion
Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE

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