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Performances du pilote

II. 7 Procédés thermochimiques pour le stockage de l’énergie thermique

II. 7.2 Stockage de chaleur à haute température pour centrale solaire

La mise en œuvre d’autres couples réactifs, à base d’hydroxydes ou de carbonates par exemple, permet d’envisager des applications de stockage thermochimique de chaleur dans une gamme de températures plus élevée, de 400 à 800 °C, et plus adaptée au fonctionnement des centrales solaires thermodynamiques (CSP) pour la production d’électricité. En effet, le stockage de chaleur à haute température constitue l’un des verrous au développement de la filière CSP et sa mise en œuvre est indispensable afin de garantir une gestion optimisée de la production d’électricité. Un tel dispositif de stockage permet ainsi de décaler la production électrique dans le temps vers des périodes à forte demande ou à plus fort intérêt économique. Il peut en effet selon sa taille, soit permettre une production pour satisfaire des pics de demande, soit décaler la production après le coucher du soleil pour suivre la courbe de consommation, soit l’étaler sur 24h et réaliser une production continue de base à puissance plus faible.

Le projet « In-STORES » (2013-2017), récemment accepté par l’ANR-SEED 2012, nous offre l’opportunité de développer cette thématique de recherche et approfondir le champ de connaissance relatif à la mise en œuvre de réactions solide/gaz à haute température. L’objectif de ce projet, en partenariat avec le laboratoire LTN de Nantes et l’industriel EXOES, consiste à développer un stockage thermochimique de haute densité énergétique couplé à un cycle vapeur de type Rankine.

Divers couples ont été identifiés à partir des données thermodynamiques de formation, pour réaliser cette fonction de stockage (Fig. 59): les couples CaO/Ca(OH)2 et ZnSO4/ZnSO4.H2O

sont particulièrement adaptés à la gamme 400-600°C, tandis que le couple BaO/Ba(OH)2

conviendrait pour les applications à plus hautes températures (700-900°C). Les couples à bases de carbonates tel que CaO/CaCO3 ou BaO/BaCO3 conviennent pour des gammes encore plus élevées, typiquement de 800 à 1200°C. Il s’agira dans ce projet de valider en premier lieu le fonctionnement à haute température de ces couples réactifs identifiés, en particulier pour le

couple CaO/Ca(OH)2 adapté au conditions de fonctionnement du cycle Rankine. Dans un

second temps, on définira pour le réactif choisi une mise en œuvre de faible coût et performante en terme de transferts de masse et de chaleur, qui satisfasse à la fois, les contraintes fixées d’énergie stockée et de puissance restituée. Enfin, la conception du réacteur thermochimique fera l’objet d’une optimisation permettant de maximiser à la fois sa densité énergétique globale et sa puissance spécifique volumique, pour la mise en œuvre choisie (épaisseur de couche, distribution des diffuseurs de vapeur, surface d’échange thermique,…).

0,1 1,0 10,0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 MgCl2 ZnSO4 CaO BaO MgO H2O

Hydrates et Hydroxydes à Haute Température

Température (°C) Pression (Bar) H2O L/G Mg O/M g(O H)2 Mg Cl2 ,1/0 H2 O Zn SO 4 ,1/0 H2 O Ca O/C a(O H)2 BaO /Ba( OH )2

Figure 59 : Représentation dans le diagramme de Clapeyron de quelques hydrates ou hydroxydes potentiellement adaptés aux applications de stockage à haute température

Ce procédé de stockage thermochimique, basé sur la réaction d'un sel avec l'eau, permet d’envisager plusieurs pistes d’intégration au cycle Rankine. Diverses configurations de couplage et niveaux d’intégration seront évaluées dans le cadre du projet In-Stores :

couplage thermique classique via deux échangeurs thermiques : boucle solaire/réacteur

pour la phase de stockage et réacteur/cycle Rankine en phase de destockage.

couplage thermique direct via le fluide de la boucle solaire et/ou via le fluide de travail

du cycle Rankine. L’intégration du générateur de vapeur du cycle Rankine dans le réacteur thermochimique permettrait une meilleure efficacité des échanges thermiques (plus faible ∆T) et une meilleure maîtrise de la température de destockage.

couplage à la fois massique et thermique via le fluide de travail du cycle Rankine : lorsque le procédé thermochimique et le cycle de Rankine fonctionnent avec le même fluide de travail (vapeur d'eau), on peut alors envisager un échange de vapeur entre les deux systèmes. Ce mode de couplage particulièrement innovant, inspiré des études réalisées sur le stockage thermochimique longue durée à basse température, permet en effet une mise en commun du condenseur et de l’évaporateur du cycle Rankine pour le fonctionnement du réacteur de stockage. Dans cette configuration intégrée, la densité énergétique globale serait plus élevée et proche de celle du réacteur seul. Par ailleurs, l’intérêt de ce concept d’intégration est de permettre un développement industriel du procédé moins coûteux.

L’étude du comportement dynamique de ces différentes configurations de couplage, en fonction des scénarios de production d’électricité envisagés (pics de production, production décalée ou production continue), sera évaluée par simulations du procédé complet et doit permettre l’optimisation du dimensionnement du réacteur. L’impact des phases intermédiaires et des phases de démarrage sur la production électrique doit en outre aboutir à la définition de stratégies de contrôle/commande efficaces pour le procédé thermochimique. L’un des verrous

majeurs à lever sera de permettre un démarrage rapide, inférieur à 30 minutes, de la production électrique.

Le projet In-Stores, permettra in fine de développer notre expertise concernant le stockage thermochimique à haute température qui semble être une technologie prometteuse pour le développement de la filière du solaire à concentration. Pour mener ce programme de recherche, il est prévu deux thèses, dont une que je co-dirigerai à partir de septembre 2013 sur la thématique « système » du projet : évaluation et analyse sur une base à la fois thermodynamique et technologique des différents concepts d’intégration du stockage thermochimique dans le procédé global, modélisation et validation expérimentale de la configuration retenue…

Cette thématique du stockage de chaleur ou de froid par procédés thermochimiques a été

soutenue par un projet européen « SOLARSTORE » du 5ePCRDT [PR Int7] , par OSEO-PISI

« SolaireDuo » [PR Nat 13]et l’ANR-StockE « ESSI » [PR Nat11]. Par ailleurs, l’ANR-SEED vient de soutenir la thématique du stockage à HT dans le cadre du projet « In-Stores »

Ces travaux ont fait l’objet de :

1 demande conjointe de brevet CNRS/CEA [Br12]

3 publications : [P26], [P31], [P36]

II. 8 Procédés thermochimiques pour le transport à longue distance de