La période des cycles

Pour analyser l’effet de la période des cycles sur le comportement thermodynamique du gaz stocké, on étudie deux cas où la température d’injection est T_inj 50°C et la température du massif à la profondeur moyenne de la cavité est de T_R40°C.

Chapitre 2. Modèle de calcul thermodynamique du gaz stocké et validation

Figure 2.17. Evolutions calculées de la pression du gaz, de la température du gaz et du flux de chaleur provenant des parois de la cavité pour 3 périodes de cycles : 6 h, 12 h et 24 h.

Chapitre 2. Modèle de calcul thermodynamique du gaz stocké et validation Dans un premier cas, on choisit trois chargements cycliques théoriques plus simples que celui utilisé dans la section précédente. Dans ces chargements présentés sur la Figure 2.16, on injecte et soutire la même masse d’air pendant un cycle avec un débit maximal de m 100 kg s et pour des périodes de 6 heures, 12 heures et 24 heures. Chaque opération rapide est suivie d’une opération de la même nature à débit constant m 100 kg s sur une période plus longue. Les résultats de la Figure 2.17 présentent un effet des chargements cycliques à fréquence réduite sur le comportement du gaz. En effet, lorsque la période du cycle est petite, le flux de chaleur est moins important après 100 jours de chargement cyclique parce que les variations de température n’ont pas le temps de pénétrer profondément dans le massif. Dans un second cas, on injecte et soutire la même masse pour trois cycles de périodes différentes (6 heures, 24 heures et 96 heures). Les 3 chargements cycliques étudiés sont appliqués pendant environ un an et sont présentés sur la Figure 2.18. Dans le cas où la température d’injection (50°C) est supérieure à la température géothermique à la profondeur moyenne de la cavité (40°C), les flux de chaleurs sont tous négatif, ce qui veut dire que le gaz cède de la chaleur au massif environnant. Après un an de cycles, le flux de chaleur moyen cédé au massif est de 270 kW par jour pour un chargement de période 6 heures, de 100 kW par jour pour un chargement de période 24 heures et est presque nul pour une période de 96 heures (Figure 2.19). Ces valeurs moyennes du flux de chaleur sont petites comparées à la puissance d’un CAES qui peut aller jusqu’à 1000 MW par jour. Par exemple à Huntorf on a 250 MW pendant 4 heures de fonctionnement et à McIntosh on a 100 MW pendant 26 heures. En traçant la température moyenne, on observe que pour une période de 6 heures la température moyenne après 1 an de cycle est égale à 44°C alors qu’elle n’est que de 40,2°C pour une période de 96 heures. Par ailleurs, on observe sur les évolutions de la température du gaz de la Figure 2.19 qu’après un certain nombre de cycle, on tend vers un régime établi pendant lequel la température moyenne n’évolue plus. La durée pour atteindre ce pseudo régime d’équilibre est plus grande lorsque la période du cycle est petite. Lorsque le cycle est rapide, la température moyenne du gaz dans la cavité qui à long terme se situe entre la température géothermique et la température d’injection se rapproche plus de la température d’injection du gaz. La quantité de flux de chaleur échangée avec la cavité est ainsi plus importante.

Chapitre 2. Modèle de calcul thermodynamique du gaz stocké et validation

Figure 2.19. Evolutions calculées de la température moyenne et du flux de chaleur moyen provenant des parois de la cavité pour 3 périodes de cycles 6 h, 24 h et 96 h.

Conclusions

Pour simuler la thermodynamique des cavités salines de stockage de gaz, un modèle semi-analytique a été proposé dans ce chapitre. Dans ce modèle, on a tout d’abord écrit l’équation locale de l’énergie. Le problème de la convection naturelle qui est lié à l’écoulement du gaz dans la cavité a été analysé. On a démontré que la température et la pression du gaz dans la cavité pouvaient la plupart du temps être considérées uniformes dans toute la caverne à un instant. On a alors pu intégrer l’équation locale de l’énergie dans toute la caverne. Le flux de chaleur échangé pendant les opérations de stockage et de déstockage de gaz a été intégré au bilan énergétique après avoir montré qu’il ne pouvait être négligé. Dans l’analyse de la thermodynamique du gaz stocké en cavité, trois effets se combinent : l’apport de chaleur par conduction, l’apport de chaleur par injection de gaz et l’effet de la détente ou de la compression. Le modèle conçu a permis d’évaluer et d’analyser l’évolution des principaux paramètres thermodynamique du gaz stocké en cavité saline. Ce modèle thermodynamique a été ensuite validé à

Tinj = 50°C

Chapitre 2. Modèle de calcul thermodynamique du gaz stocké et validation partir de mesure réelles et exploité sur des exemples simples notamment dans le cas du soutirage du gaz en cavité saline et d’exploitation journalière de la cavité NK1 de Huntorf. Une étude de sensibilité a permis d’évaluer les effets de la température d’injection, de l’aire des parois de la cavité et de la période des cycles sur le comportement à terme du gaz dans la cavité.

Des limites existent dans cette analyse, notamment quant à la modélisation complète de l’écoulement du gaz réel dans la cavité, ou encore la conduction de la chaleur pour une cavité non sphérique, la prise en compte de l’équation d’état d’un gaz réel et le rôle de la vapeur d’eau.