Soutenance mémoire
Le stockage d’énergie en réponse aux défis énergétiques
L’objectif général des systèmes énergétiques est de transférer/convertir l’énergie disponible dans une ressource énergétique vers un besoin énergétique. L’application de ce principe simple est devenu complexe puisque l’émergence de nouvelles réglementations de transitions énergétiques, le développement de l’usage des sources énergétiques variables dans le temps (solaire, éolienne,…), le changement des technologies pour les procédés industriels et des systèmes d’énergie du bâtiment basse consommation (BBC), ont nécessité l’intégration systématique de composants de transferts ou sous-systèmes énergétiques (dont le composant de stockage d’énergie) entre la ressource énergétique et le besoin énergétique . Il existe de nombreuses techniques utilisées à des fins de stockage d’énergie. Ces techniques peuvent être classées en fonction des objectifs pour lesquels l’énergie est stockée. Ils comprennent: le stockage de l’énergie électrique et le stockage de l’énergie thermique. On peut voir que les technologies dont l’énergie est stockée sous forme thermique et libérée sous la même forme comme le stockage glace/eau sont classées comme étant les technologies de stockage thermique, tandis que celles dans lesquelles l’énergie est stockée sous forme d’énergie thermique mais libérée sous forme d’énergie électrique tel que le stockage d’air liquide sont classées comme étant les technologies de stockage électrique.
Le rôle du stockage d’énergie
Les énergies renouvelables (EnR) sont des énergies fondées sur l’utilisation des éléments naturels (terre, eau, vent, lumière du soleil), renouvelées ou régénérées naturellement et considérée inépuisables à l’échelle du temps humain à l’opposé des énergies fossiles en voie de disparition puisque leur temps de renouvellement est excessivement long. Or ces sources d’énergies renouvelables sont en général intermittentes puisqu’elles ne sont pas disponibles en permanence et de façon continue. L’insertion massive des énergies renouvelables sur les réseaux électriques pose des problèmes d’ordre technique, notamment pour les gestionnaires de réseaux. Le premier concerne la localisation des installations de production : l’intégration de la production décentralisée conduit à un fonctionnement bidirectionnel des réseaux traditionnellement conçus pour n’acheminer l’énergie que dans un sens, faisant émerger des besoins de renforcement. Le second relève de la gestion des moyens de production intermittents dans le système électrique. Afin de faciliter l’intégration des (EnR) dans le système électrique, les réseaux devront être gérés de manière plus réactive, grâce aux technologies de « Smart grids ». Ces technologies regroupent de nombreux outils et systèmes pour la gestion des réseaux (comptage communicant, stockage de l’électricité (batteries, air comprimé, volant rotatif…), modèles de marché, onduleurs et charges contrôlables, etc.). Les nouvelles technologies de l’information et de la communication interviendront également afin d’optimiser les flux d’énergie et, notamment, d’assurer l’équilibre « offre/demande ». Le stockage d’énergie contribue ainsi à la planification, le fonctionnement et la régulation de fréquence du système d’alimentation électrique (Tan et al., 2012) (Chen et al., 2009). Il aide à maintenir la stabilité des systèmes énergétiques et améliore la qualité de l’énergie dans les systèmes « Smart grids » et peut faire correspondre la demande d’énergie avec l’offre d’énergie disponible (Tan et al., 2012) (Castillo & Gayme, 2014) (Ibrahim et al., 2007) jouant ainsi un rôle crucial dans l’augmentation du pourcentage d’intégration des sources d’énergies renouvelables (Zhou et al., 2012) (Pardo et al., 2014) (Pleβmann et al., 2013) (Castillo & Gayme, 2014).
D’autre part pour améliorer les performances des systèmes énergétiques et réduire le besoin net total d’énergie entrant dans le système, on a souvent recours à l’intégration énergétique de procédés également connue sous le nom de la méthode du pincement (pinch method) à travers laquelle on peut évaluer le potentiel de récupération d’énergie entre les différents flux énergétiques dans ces procédés (Staine & Favrat, 1996). Les propriétés de ces flux (températures, débit massique, concentration…) sont constantes en fonction du temps (à l’exception des phases de mise en route et d’arrêt du procédé). Au contraire, dans les procédés discontinus, les propriétés des flux peuvent changer avec le temps (graduellement ou subitement). Des flux peuvent également disparaitre complètement et d’autres peuvent apparaitre au cours du procédé. En outre, dans les procédés continus, les produits finis sont élaborés d’une façon ininterrompue, alors que dans un procédé discontinu ou « batch » le produit fini est obtenu en quantité déterminée lors d’une seule procédure de fabrication complète. Il existe deux principaux types d’échanges thermiques entre les flux opératoires dans un procédé batch :
❖ Echange direct : c’est l’échange de chaleur effectué dans le cas où les flux chauds et froids existent en même temps et à des niveaux de température permettant l’échange de chaleur direct entre eux. Un réseau d’échangeurs, dans lequel circulent ces différent flux, permet la récupération de chaleur directement entre eux. C’est le même type d’échange thermique effectué dans le cas de l’intégration énergétique des systèmes continus.
❖ Echange indirect : c’est l’échange de chaleur effectué dans le cas où les flux chauds et froids n’existent pas sur une même période temporelle. Ainsi un système de stockage de chaleur doit être utilisé pour stocker l’énergie pendant une période où la chaleur est excédentaire et la déstocker pendant une période où un déficit de chaleur existe.
Le stockage d’énergie thermique n’est pas seulement utilisé pour réduire la demande d’énergie, mais aussi pour déplacer la charge de chauffage ou de refroidissement dans le temps. Cela peut être fait selon trois stratégies . Bien que ces stratégies puissent être utilisées à la fois pour le chauffage et le refroidissement, elles sont plus souvent discutées pour le refroidissement des bâtiments.
La stratégie de stockage complet pour la charge de refroidissement dans un bâtiment se traduit par un fonctionnement des refroidisseurs sur une puissance élevée pendant les heures hors pointe pour répondre directement à la demande de charge et pour charger le stockage simultanément. Pendant les heures de pointe, les refroidisseurs sont complétement à l’arrêt et c’est le stockage en froid qui répond entièrement à la demande de refroidissement. Cela peut être avantageux dans les bâtiments où les charges de pointes sont élevées mais de courte durée profitant ainsi des différences de tarif énergétique pour arrêter complétement les refroidisseurs pendant les heures de pointe où le prix de l’énergie est élevée. Des gros refroidisseurs ainsi qu’une grande capacité de stockage sont nécessaires dans cette stratégie.
La stratégie de la limitation de la demande de refroidissement se traduit par des refroidisseurs fonctionnant toujours pendant les heures de pointe mais à une puissance inférieure à celle utilisée dans la stratégie du stockage complet. Dans cette stratégie, les tailles du stockage et des refroidisseurs peuvent être choisies pour obtenir la solution la plus rentable en ce qui concerne les caractéristiques de pointe et les tarifs énergétiques. Lorsqu’on utilise une stratégie de nivellement de la charge, les refroidisseurs sont conçus pour fonctionner à une puissance plus ou moins constante pendant toute la journée. Ainsi, la puissance de refroidissement requise est réduite et la taille des refroidisseurs peut être choisie de sorte qu’ils puissent fonctionner à une efficacité nominale la plupart du temps.
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Table des matières
Introduction générale
Nomenclature
1. Introduction et contexte général de l’étude
1.1 Contexte énergétique global
1.2 Le stockage d’énergie en réponse aux défis énergétiques
1.2.1 Le rôle du stockage d’énergie
1.2.2 Les méthodes de stockage d’énergie thermique
1.2.3 Choix de la méthode de stockage d’énergie thermique
1.2.4 La modélisation numérique du stockage thermique au sein du système énergétique : quelles problématiques ?
1.3 Le projet applicatif dans lequel s’inscrit ce travail de thèse : le projet PVcooling
1.4 Objectif et démarche de la thèse
2. Le stockage thermique par chaleur sensible dans les cuves remplies d’eau
2.1 Introduction
2.2 Principe de fonctionnement
2.3 Etat de l’art
2.3.1 Les études théoriques et expérimentales
2.3.2 Les études de modélisation numérique
2.4 Conclusion chapitre 2 et besoin en modèle
3. Développement du modèle mathématique
3.1 Introduction
3.2 Formulation des équations et hypothèses de simplification
3.3 Description de la méthode numérique adoptée
3.3.1 Discrétisation du domaine d’étude
3.3.2 Intégration des équations sur le domaine discrétisé
3.3.3 Résolution de la non-linéarité et la liaison pression-vitesse
3.3.4 Particularité sur les conditions aux limites du domaine
3.4 Les outils numériques pour la mise en œuvre
3.4.1 Développement du code de type CFD : Matlab
3.4.2 Développement du modèle MODELICA : OpenModelica
3.5 Conclusion chapitre 3
4. Résultats et Interprétations
4.1 Introduction
4.2 Validation du modèle numérique type CFD
4.2.1 Validation par un autre modèle numérique type CFD
4.2.2 Validation par des mesures expérimentales
4.3 Applications sur le stockage de l’eau chaude et de l’eau glacée
4.3.1 Etude 1 : Validité du modèle pour une modification de la température d’entrée
4.3.2 Etude 2 : La distribution spatiale de l’énergie dans le ballon
4.3.3 Etude 3 : La stratification dans les applications de stockage de l’eau glacée
4.4 Vers un modèle numérique réduit
4.4.1 Paramétrage initial
4.4.2 Etude paramétrique
4.4.3 Etude des champs dynamiques de température au sein du ballon
4.4.4 Domaine de validité du modèle réduit
4.4.5 Simulation numérique du modèle réduit sous OpenModelica
4.5 Conclusion chapitre 4
Conclusion générale
perspectives
Bibliographie
