Chapitre 4- Système hybride éolien-diesel avec stockage hydro-pneumatique et
5.5. Le système de stockage de chaleur
5.5.1. Le stockage adiabatique
Il existe deux types de systèmes de stockage d'air comprimé, diabatiques et adiabatiques. Dans le cas du stockage diabatique, l’énergie thermique, qui résulte de la compression de l’air sera dissipée [89]. Par contre, dans le cas adiabatique, l'énergie thermique extraite sous forme de chaleur sera stockée dans un système de stockage thermique TES pour être utilisée ultérieurement [90]. Dans le système ACP-WDCAS, cette énergie, stockée sous forme de chaleur, va servir à chauffer l’air comprimé avant sa détente dans le moteur diesel.
106 Le stockage adiabatique est une des solutions écologiques les plus prometteuses. Il offre relativement une meilleure efficacité énergétique de stockage. Avec une amélioration des systèmes de compression et une installation des systèmes de stockage de chaleur (TES) à haute capacité, le stockage adiabatique pourrait augmenter le rendement global de notre système jusqu’à 70 %.
5.5.2. Système de stockage de chaleur pour l’ACP-WDCAS
Dans le cas de l’ACP-WDCAS, le système de stockage adiabatique à chaleur sensible parait le plus convenable car le flux de chaleur transmissible peut être plus important que dans le cas de l’utilisation du système de stockage à chaleur latente. Le système proposé dans cette étude est un système de stockage actif, direct, a chaleur sensible avec deux réservoirs de stockages séparées et qui utilise un seul élément comme fluide caloporteur et matériau de stockage. Durant la phase de charge (stockage), la chaleur de l’air comprimé est extraite par échange avec le fluide froid. À l’aide d’une pompe, le fluide froid est aspiré du réservoir R1 puis transmis vers des échangeurs implantés à la sortie de chaque compresseur. Le fluide froid sera donc chauffé sous l’effet de la chaleur échangée avec l’air comprimé et, par la suite, stocké dans le réservoir de fluide chaud R2.
107 Durant la phase de décharge, l’air comprimé, est chauffé à la sortie du réservoir par la chaleur de compression déjà emmagasinée dans le fluide chaud du réservoir R2 à travers un ou plusieurs échangeurs (HX3). Le fluide refroidi, sortant des échangeurs sera emmagasiné dans le réservoir du fluide froid R1.
Figure 74- Système de stockage adiabatique- Phase de décharge
Vu le caractère intermittent de l’énergie éolienne, ce type de stockage présente une excellente flexibilité car il permet un stockage à température quasi constante à cause du stockage direct du fluide caloporteur dans le réservoir. De plus, la simplicité de la mise en œuvre d’un tel système, la puissance calorifique transmise, la température élevée du stockage du fluide caloporteur et le temps de réponse favorise l’utilisation de ces systèmes dans le cas de l’ACP- WDCAS dans les sites isolés. Cependant, ce système est relativement coûteux parce qu’il dépend des prix des échangeurs, des pompes, des réservoirs et du fluide caloporteur [32], [33].
5.5.3. Choix du fluide caloporteur :
Le choix du fluide caloporteur d’échange et de stockage dépend de plusieurs facteurs. Le fluide choisi doit bien fonctionner dans la plage de température de l’ACP-WDCAS (généralement entre -20 et 400 °C). Il doit aussi avoir un pouvoir calovecteur (convectif) élevé pour pouvoir échanger au maximum la chaleur avec l’air chaud et avoir le plus haut pouvoir caloporteur possible, étant donné que ce fluide doit servir comme un matériau de stockage. Parmi les principaux fluides caloporteurs, on cite les gaz (hélium, azote et dioxyde de carbone), l’eau sous forme de liquide ou sous forme de vapeur saturée, les fluides organiques (huiles minérales,
108 huiles synthétiques, et fluides halogènes), les sels fondus et les métaux fondus (mercure, sodium). Compte tenu de leurs pouvoirs caloporteurs et calovecteurs médiocres, les gaz ne seront pas retenus pour notre application mais ils sont valorisables pour des usages à très haute température. Il en est de même pour les métaux fondus qui ont un pouvoir calovecteur exceptionnel mais qui présentent des contraintes rédhibitoires et nécessitent des équipements de sécurités trop lourds.
L’eau sous forme de liquide constitue un excellent fluide caloporteur et calovecteur et sert comme fluide de référence pour les autres fluides. Son usage est limité de 0 à 100 °C à la pression atmosphérique et jusqu’à 300 °C à des pressions plus élevées, compte tenu des pressions importantes de saturation (eau surchauffée). De plus, l'eau naturelle doit être soigneusement filtrée, traitée et purifiée pour une utilisation industrielle [91]. Malheureusement, ces propriétés limitent l’utilisation de l’eau dans les applications des SHEDAC.
Les sels fondus formés de nitrites de sodium (NaNO2), et (NaNO3) et de nitrate de potassium (KNO3) sont utilisés pour réaliser des eutectiques comme les HTS1 et HTS2 (Heat Transfer Salt). Ces eutectiques présentent des bonnes propriétés calovectrices et caloportrices (150 -500 °C) mais leur température de fusion élevée (150 °C) résulte de la solidification de ce fluide au sein du système de stockage de chaleur TES surtout dans le réservoir du fluide froid.
En ce qui concerne les huiles, les huiles minérales d’origine pétrolière et les fluides halogènes présentent des températures d’usage relativement basses (au-dessus de 300 °C), tandis que les huiles synthétiques présentent une stabilité thermique plus importante allant jusqu’à 400 °C. Bien que les capacités énergétiques des huiles minérales synthétiques soient inférieures à celles de l’eau, leur utilisation reste la meilleure solution pour notre système de stockage. On aura ainsi besoin d’une plus grande surface d’échange au niveau des échangeurs ce qui augmente l’encombrement et le prix d’un tel système.
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Conclusion :
Nous avons introduit dans la première section de ce chapitre le système ACP-WDCAS. Ensuite nous avons décrit son principe et élaboré sa stratégie de fonctionnement. Dans la deuxième section, nous avons mis l’accent sur les éléments constitutifs du système afin de mieux le dimensionner. Nous avons également tenté d’identifier ces éléments et de mettre à jour leurs types, modèles, systèmes de régulation et courbes caractéristiques afin d’effectuer le choix convenable pour la conception de notre système, lequel sera modélisé mathématiquement et simulé numériquement.
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