CHAPITRE I : PROBLÉMATIQUE DE LA PRODUCTION D'ÉLECTRICITÉ ET DU
3.5. Influence de la mise en œuvre du solide réactif
Springer
[83] Schaube et al.
[97] Ogura et al.
[98]
Lit fixe Lit fixe ATG
Matériau Ca(OH)2 Ca(OH)2 Ca(OH)2 Ca(OH)2 CaO CaO
Quantité de matériau [g] 8 8 8 60 10 10
Nombre de cycles 1171 837 484 25 8 8
Pureté [%] Init 96,4 96,4 96,4 97,8
Fin 87 96,8 90,6
Diamètres médians des grains : d50 [μm]
Init 1,7 1,7 1,7 5,26 53-63 53-63
Fin 1,7 2,68 20,5 17,6
Surface spécifique (BET) [m².g-1]
Init 16,5 16,5 16,5 16 4,62 0,62
Fin 6,42 5,33 7,16 9,9 3,95 4,21
ATG : Analyse Thermo-Gravimétrique
3.5. Influence de la mise en œuvre du solide réactif
Pour de faibles quantités de matériau réactif (<10g), ce sont généralement les limitations en transferts de masse et de chaleur au sein des grains réactifs qui régissent la vitesse de réaction.
Au-delà, les paramètres de mise en œuvre des grains réactifs deviennent influents et doivent donc être étudiés. Deux types de mises en œuvre sont généralement envisagées : les lits fluidisés et les lits fixes.
3.5.1. Les lits fluidisés
Les lits fluidisés utilisent un gaz vecteur pour mettre en suspension les particules réactives permettant ainsi d'atteindre des coefficients d'échange élevés entre le gaz vecteur et les particules [99].
À mêmes conditions opératoires, ces procédés sont donc caractérisés par des puissances massiques de réaction plus élevées que celles des lits fixes (Annexe VI). En revanche, les masses volumiques apparentes de matériau réactif sont nettement plus faibles, 170kg.m-3 pour les lits fluidisés contre 400 à 800kg.m-3 pour les lits fixes, conduisant à des densités de stockage plus faibles (Tableau I.3 et Tableau I.4).
Tableau I.3 : Performances des systèmes de la littérature en synthèse (déstockage)
Schaube
a : Ajout de 2% de nanoparticules de silice amorphe
b : exprimé en kg de matériau réactif mis en œuvre initialement dans le système par m3 de volume apparent du lit Tableau I.4 : Performances des systèmes de la littérature en décomposition (stockage)
Schaube
Conditions opératoires p [bar] 0c 0,00872
0,0957-0,815 0c
T [°C] 375-500 590 410-500 400-480 480
Qdu lit [kW.m-3) min 59 23 70 12 70
max 88,1 22,8 440 79 70
b : exprimé en kg de matériau réactif mis en œuvre initialement dans le système par m3 de volume apparent du lit c : Décomposition réalisée sous atmosphère d'azote
En outre, le gaz vecteur doit être inerte vis à vis du solide réactif [107] (dans le cas du couple CaO/Ca(OH)2 l'air est donc exclu) et une maîtrise précise des débits de gaz et des tailles de particules est nécessaire afin de garantir la fluidisation.
3.5.2. Les lits fixes
Le solide réactif est mis en œuvre sous la forme d'un lit de particules compressé et mis en contact avec une atmosphère de gaz réactif. Cette mise en œuvre est plus simple que celle des lits fluidisés.
Elle permet d'atteindre des densités de stockage plus élevées que les lits fluidisés. Toutefois, ce gain en densité peut se faire au détriment des transferts de chaleur et de masse et donc de la puissance de réaction (Annexe VI). En effet, la mise en œuvre de ces lits fixes influe sur les perméabilités et sur les conductivités thermiques qui varient dans une gamme comprise entre 0,1 ([101] [100]) et 0,58 W.m-1.K-1 ([108] [109]). L'utilisation d'un additif (SiO2 [103] et [104], de Graphite Naturel Expansé [110]...) permet d'améliorer ces transferts et de limiter les phénomènes d'agglomération des grains.
Les puissances volumiques (par m3 de volume apparent de lit réactif) de ces procédés sont équivalentes à celles des systèmes à lits fluidisés, allant de quelques dizaines à quelques centaines de kW.m-3 de lit en déstockage (Tableau I.3) et stockage (Tableau I.4 )
3.6. Conclusion
Le CaO et le Ca(OH)2 sont disponibles en grande quantité à travers le monde et à un faible coût.
De plus, ces réactifs sont facilement manipulables et compatibles avec les aciers inoxydables courants permettant une conception simple et peu onéreuse du système.
Pour des applications de stockage de chaleur pour centrales solaires thermodynamiques à concentration, ce couple réactif CaO/H2O permet des stockages et déstockages à des températures comprises entre 350 et 580°C pour des pressions de vapeur proches de la pression atmosphérique (entre 0,2 à 3bar) réduisant ainsi les contraintes techniques. La condensation de la vapeur permet de réduire les volumes par une configuration en cycle fermé.
Les mises en œuvre de solides réactifs envisagées dans la littérature permettent d'atteindre des puissances volumiques élevées (>50kW.m-3) et des densités énergétiques allant jusqu'à 330kWh.m-3 de lit réactif (configuration en lit fixe).
Des expérimentations de cyclage, réalisées sur de faibles quantités de matériaux (quelques grammes) ont mis en évidence des performances stables même après plusieurs centaines de cycles. Toutefois, une réaction parasite de carbonatation (avec le CO2) entraînant une diminution de la capacité de stockage a pu être observée. Dans le cadre de ce travail, un fonctionnement en cycle fermé sous vapeur pure a été préféré afin de limiter les risques de carbonatation.
Dans les systèmes présentés précédemment, de faibles conductivités thermiques et des phénomènes d'agglomérations ont été observés. L'ajout de Graphite Naturel Expansé est la solution envisagée dans la suite de ce travail afin d'améliorer la dispersion et les transferts de chaleur de ces milieux poreux.
Conclusion
Les modes de production et de consommation de l'électricité sont amenés à évoluer dans les années à venir afin de répondre à des exigences environnementales croissantes. Au cours de ces dernières décennies, un nombre croissant de pays ont donc augmenté peu à peu la part d'énergies renouvelables dans leur production électrique.
L'une des technologies prometteuses qui pourraient permettre de réduire l'impact environnemental de la production d'électricité est celle des CSP. Toutefois, cette technologie est limitée par le décalage temporel entre la ressource solaire et les besoins électriques. Le développement de systèmes de stockage de chaleur performants adaptés aux hautes températures (200 à 600°C) est donc un point clef pour cette filière.
Ces systèmes de stockage de chaleur haute température permettent d'augmenter la capacité de production des centrales solaires ou de décaler cette production et de coller ainsi à la demande.
Toutefois, les systèmes existants, basés sur le stockage par chaleur sensible, utilisent généralement des matériaux qui présentent un coût élevé par kWh stocké ainsi que des densités énergétiques peu élevées. De plus, la disponibilité de certains de ces matériaux (sels fondus, lithium...) pourrait devenir un facteur limitant dans le cas d'un développement à grande échelle.
Les systèmes de stockage de chaleur par voie thermochimique offrent des perspectives intéressantes tant du point de vue de leurs densités de stockage que des performances énergétiques pour le stockage de moyenne et longue durées. Le couple CaO/Ca(OH)2 fait l'objet de plusieurs projets de recherche qui ont mis en évidence sa pertinence pour des applications de stockage de chaleur à haute température.
Ces travaux ont également montré des phénomènes d'agglomération des lits de solide réactif après plusieurs cycles ainsi que de faibles conductivités thermiques qui impactent les performances de ces systèmes. Dans ce travail, l'adjonction de Graphite Naturel Expansé (GNE) au solide réactif est proposée afin d'améliorer les transferts de masse et de chaleur au sein des milieux poreux réactifs et de limiter ces phénomènes d'agglomération. Les paramètres de transfert (conductivité et perméabilité) seront analysés au travers d'expérimentations hors réaction et en réaction réalisées sur des milieux réactifs sans GNE et à différents taux de GNE.
Ces milieux réactifs seront expérimentés dans des configurations en lits fixes sous vapeur pure afin de s'affranchir des problèmes de carbonatation décrits dans la littérature.