Projet R&D : CORETEC s’attaque aux défis du stockage thermique !

Ce projet de R&D mené par CORETEC a pour objectif d’étudier le stockage thermique par hydroaccumulation. Cette approche, destinée à pallier les problèmes d’intermittence, s’inscrit dans une démarche de valorisation de la chaleur fatale. À travers ses travaux, CORETEC s’efforce de comprendre les phénomènes physiques sous-jacents pour maîtriser pleinement cette technologie.
L’objectif est de proposer des solutions de stockage optimisées et adaptées à chaque application pour ses clients.

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Le stockage thermique permet de découpler la production d’énergie avec les besoins en temps réel. L’énergie thermique produite est stockée lorsqu’elle est excédentaire pour être restituée lorsque le besoin devient plus fort que la production. Un stockage contribue à réduire les coûts et améliorer l’efficacité énergétique. 🌿

Dans l’industrie française, l’ADEME estime la quantité de chaleur perdue à plus de 100°C à environ 53 TWh/an. Ce qui représente 17 % de la consommation de combustibles. Cette production de chaleur fatale survient à des moments différents de ceux où elle pourrait être valorisée dans d’autres process. Le stockage thermique pallie donc ce décalage temporel entre la production et la demande.  Il existe divers types de stockage et de nombreuses technologies. Retrouvez plus d’informations sur le stockage thermique en suivant le lien ci-dessous :
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Dans le cadre de ses missions de référents techniques et de ses projets menés pour les industriels, Coretec a identifié que le stockage thermique était indispensable pour réaliser des projets fiables et performants. Par ailleurs, les solutions, bien qu’à priori simples, sont relativement peu maitrisées. C’est pour cela que CORETEC a choisi de développer une expertise en stockage thermique, en se focalisant particulièrement sur l’hydroaccumulation au travers d’un projet de R&D. 

Fonctionnement ⚙️

La technologie consiste à stocker et déstocker l’énergie sous forme de chaleur sensible dans un réservoir d’eau stratifié.
Ce type de stockage par stratification est privilégié en raison de sa simplicité de mise en œuvre et de son faible coût.
L’eau se démarque en étant un milieu de stockage idéal en raison de sa capacité thermique élevée et de sa facilité de manipulation sur une plage de températures allant de 4 à 160°C (eau surchauffée).
Dans un tel réservoir, les eaux chaudes et froides sont séparées sans barrière physique, grâce à la stratification naturelle. Des couches horizontales se forment en raison des différences de densité. La zone de transition entre les eaux chaudes et froides est appelée thermocline. Dans cet espace, l’eau plus chaude et moins dense est stockée au-dessus de l’eau plus froide et plus dense.

Pendant le cycle de décharge, l’eau chaude est prélevée au sommet du réservoir et l’eau froide est injectée au fond. Ce processus est inversé pendant le cycle de charge. Le réservoir reste ainsi plein en permanence, tandis que la thermocline monte et descend pendant les cycles de décharge et de charge respectivement.  Les deux cycles peuvent se produire simultanément, entraînant ainsi une charge ou une décharge nette du réservoir, en fonction des débits impliqués. L’avantage de ce mode de fonctionnement, dit en bouteille de découplage, réside dans sa simplicité de mise en œuvre. Il n’est plus nécessaire de concevoir un système parallèle pour gérer les variations entre surplus et besoin.  La gestion se fait entièrement au sein de la cuve de stockage. 

Efficacité 📈

Un degré élevé de stratification thermique se manifeste par une thermocline fine et la présence de deux niveaux de températures distincts.
Ainsi, l’optimisation de la stratification dans le réservoir est essentielle pour garantir une efficacité de stockage maximale.
On compte quatre phénomènes principaux à l’origine d’instabilités venant affecter la stratification : 

• La convection forcée aux entrées / sorties de la cuve,

• La convection naturelle proche des parois dues au refroidissement lié aux pertes thermiques vers l’ambiant, 

• Les pertes thermiques vers l’ambiant,

• La conduction thermique des couches plus chaudes en haut vers celles plus froides en bas. 

Suite à l’introduction de cette technologie dans les années 70, plusieurs études se sont penchées sur le phénomène de stratification dans ce type de réservoir. Examinant ainsi, l’influence de divers paramètres tels que le rapport hauteur/diamètre, les débits d’entrée, la forme du réservoir, les caractéristiques des organes d’entrée, ou encore l’utilisation de différents types d’obstacles. 

Approche non conventionnelle 🔍️

La majorité des études se concentrent sur l’utilisation de réservoirs de stockage stratifiés couplés aux énergies renouvelables, en raison de leur caractère intermittent. Les conditions de fonctionnement des applications ciblées par CORETEC sont bien différentes et motivent ainsi une démarche de R&D :

Enjeux 💥

L’objectif du projet est d’acquérir une véritable expertise dans le dimensionnement de cuves de stockage thermique. Cela nécessite une fine compréhension des phénomènes physiques impliqués lors des phases de fonctionnement. Cependant, le manque de cas réels instrumentés complique cette tâche. 

Pour pallier cela, CORETEC a entrepris la fabrication d’un prototype et la mise en place de simulations CFD (mécanique des fluides assistée par ordinateur). En combinant ces deux outils, il est possible d’étudier le comportement de cuves quelles que soient la géométrie ou les conditions de fonctionnement souhaitées. 

👉️ STRATOS : STRAtification Thermique Optimisée pour du Stockage.

Création d’un modèle de CFD vérifié sur prototype 🎨

La CFD (Computational Fluid Dynamics) est un outil permettant de simuler le comportement des fluides sur ordinateur. Elle offre une visualisation précise des écoulements de fluides et des transferts thermiques dans un environnement donné. Utilisée ici pour concevoir et optimiser les hydroaccumulateurs, la CFD permet d’étudier les phénomènes impliqués lors des phases de charge, de décharge et de découplage. Obtenir un modèle de CFD fiable exige une configuration minutieuse, notamment dans la définition du maillage et le paramétrage du solveur.  

Vérifier un modèle CFD sur prototype consiste à s’assurer que les résultats de la simulation numérique correspondent aux données expérimentales obtenues sur un prototype physique.  CORETEC a ainsi fabriqué un prototype d’hydroaccumulateur instrumenté dans son atelier. Pour un fonctionnement similaire, c’est-à-dire une géométrie et des conditions initiales aux limites identiques, les profils de températures en différentes positions dans la cuve ont été relevés sur le prototype et sur la simulation. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux a permis un ajustement du modèle de CFD jusqu’à obtenir une adéquation raisonnable. Cette démarche a été répétée pour divers régimes de températures, débits et hauteurs de cuves, afin de garantir que le modèle de simulation soit représentatif de la réalité dans toutes les conditions envisagées. Une fois validé, le modèle CFD peut être utilisé de manière fiable pour prédire le comportement de n’importe quel hydroaccumulateur, évitant ainsi des tests physiques coûteux ou impraticables. 

       
Prototype et Modèle CFD (Sous Autodesk CFD) 

Optimisation de la cuve  🔄

Le modèle CFD vérifié a ensuite été utilisé pour optimiser l’hydroaccumulateur. Cette optimisation a impliqué l’évaluation d’un ensemble de géométries, d’obstacles et d’organes internes. La solution offrant le meilleur compromis entre efficacité (finesse de la thermocline), simplicité de mise en œuvre et coût a été sélectionnée et testée sur le prototype. Les gains d’efficacité observés lors des simulations ont ainsi pu être validés en conditions réelles. 

Résultats CFD pour divers organes internes testés 

Étude paramétrique 📋️

Une fois l’hydroaccumulateur optimisé, l’un des principaux défis de cette technologie réside dans la prédiction de son comportement. Pour une géométrie donnée et des conditions de fonctionnement spécifiques, telles que les régimes de température et les débits, il est crucial de pouvoir anticiper le comportement de l’hydroaccumulateur sans recourir systématiquement à la simulation numérique, un processus très chronophage. À cette fin, une étude paramétrique exhaustive en CFD a été réalisée pour analyser le comportement et l’efficacité de l’hydroaccumulateur en fonction de divers paramètres, tels que les débits, la géométrie, les régimes de température, etc. Les résultats de cette étude et les tendances observées ont été validés sur le prototype. Un modèle mathématique a été développé, permettant de prédire le comportement de tout hydroaccumulateur sans nécessiter de nouvelles simulations CFD. 

Outil de dimensionnement 📏

En tenant compte des caractéristiques spécifiques d’un site industriel, notamment sa demande et sa production énergétiques, CORETEC a développé un outil permettant de simuler le comportement de différentes configurations de stockage par hydroaccumulateurs. Les simulations ne requièrent pas d’utiliser la CFD et constituent ainsi un gain de temps considérable. L’outil offre une analyse détaillée des performances énergétiques et économiques, permettant ainsi d’identifier la configuration de stockage optimale pour chaque cas d’application. 

Apports de ce projet : 

• Dimensionnement adapté et optimisé : Développement d’une solution de stockage thermique sur mesure pour chaque application, adaptée aux données énergétiques spécifiques du site et au cahier des charges établi. 

• Maîtrise des mécanismes physiques impliqués dans cette technologie : Compréhension précise de son fonctionnement et des enjeux associés, garantissant que la technologie ne soit pas une “boîte noire”. 

• Expertise approfondie dans le stockage thermique : Savoir-faire voué à être développé, avec d’autres fluides ou bien d’autres types de stockage par la suite. 

Limites de la technologie : 

• Encombrement : Les réservoirs, avec une capacité allant jusqu’à 120 m³, requièrent un espace important sur le site. 

• Température et capacité de stockage limitées : La capacité de stockage des hydroaccumulateurs est limitée par la taille des réservoirs et la pression maximale supportée. L’eau surchauffée est limitée à 160 °C. 

• Nécessité d’un delta de température : La technologie requiert une différence de température entre le producteur et le consommateur.

🕑️ Et après ? 

Les prochaines étapes consisteront à la mise en œuvre industrielle sur un projet en cours de réalisation chez CORETEC. Un hydro-accumulateur d’eau surchauffée permettra de stocker la chaleur d’un four industriel pour la restituer sur un vaporiseur.

Ce projet permettra de valider la fiabilité du modèle sur des mises en œuvre à échelle, sans passer par une simulation CFD.