Modélisation du comportement dynamique d'un système de stockage de chaleur type Thermocline

Réf. R044-CL-TEIXEIRA 9/11/17

Stage - Energétique

Localisation : Hauts-de-Seine

Début : entre mars et juillet 2018
Durée : 5 mois
Indem. : Oui

IFP Energies nouvelles - Direction Mécanique appliquée

IFP Energies nouvelles est un organisme public de recherche, d’innovation industrielle et de formation intervenant dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. Sa mission est d'apporter aux acteurs publics et à l'industrie des technologies performantes, économiques, propres et durables pour relever les trois grands défis sociétaux du 21e siècle : changement climatique et impacts environnementaux, diversification énergétique et gestion des ressources en eau. Son expertise est internationalement reconnue.

IFP Energies nouvelles poursuit 5 priorités stratégiques, indissociables et complémentaires dans l'accomplissement de sa mission d’intérêt général :

  • Produire à partir de sources renouvelables des carburants, des intermédiaires chimiques et de l'énergie
  • Produire de l’énergie en réduisant l’impact sur l’environnement
  • Développer des transports économes et à faible impact environnemental
  • Produire à partir de ressources fossiles des carburants et intermédiaires chimiques à faible impact environnemental
  • Proposer des technologies respectueuses de l'environnement et repousser les limites actuelles des réserves d'hydrocarbures

Son école d'ingénieurs, partie intégrante d'IFP Energies nouvelles, prépare les générations futures à relever ces défis.

Modélisation du comportement dynamique d'un système de stockage de chaleur type Thermocline

Contexte et objectifs

Le stockage d’énergie par air comprimé existe depuis 1978 (centrale de Huntorf en Allemagne) sous la forme de centrales à gaz améliorées dont le rendement énergétique se limite à 50 %. Dans ces anciens systèmes CAES (Compressed Air Energy System), la chaleur produite par la compression est perdue. Un concept plus évolué est le stockage d’énergie par air comprimé AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage). Ce concept a l’avantage de stocker la chaleur de la compression et d’atteindre un rendement bien plus important. La construction d’une première plateforme de démonstration est l’objet du projet Adele en Allemagne (2009 – 2018).

Sur le principe de l’AA-CAES, IFPEN propose un système reposant en partie sur des composants déjà existants comme les compresseurs et turbines mais également sur de nouveaux composants comme les systèmes de stockage de chaleur TES (Thermal Energy Storage). La phase de stockage est réalisée par la compression de l’air et le stockage de la chaleur. Le déstockage est réalisé par le turbinage de l’air après son réchauffage.

Nos investigations se focaliseront ici sur la modélisation énergétique du système AA-CAES en régime dynamique qui constitue le principal verrou scientifique. Pour parvenir à l’objectif fixé, nous souhaitons tout d’abord aborder la problématique de la modélisation en régime transitoire des systèmes de stockage de chaleur. En effet, la performance du système AA-CAES est fortement dépendante du système de stockage et en particulier de la thermocline. Une connaissance fine des transferts de masse et de chaleur dans le stockage envisagé permettra de mieux comprendre les facteurs influents et l’impact sur les performances de l’AA-CAES.

Stratégie de Recherche

La méthodologie envisagée dans ce stage consiste, d’une part à identifier et adapter les modélisations disponibles dans la littérature, et d’autre part, à modéliser le système imaginé par IFPEN.

La première étape consistera donc en une revue bibliographique permettant d’identifier les différents modèles numériques ayant été élaborés. L’objectif sera d’identifier les différents concepts étudiés et d’évaluer la performance de chacun d’entre eux. Un modèle numérique sera développé sur la base de la littérature afin de constituer une référence pour notre système.

Les résultats de ce modèle seront confrontés, d’une part, à des simulations du système de stockage thermique réalisées à l’aide d’outils CFD afin de mieux comprendre les transferts de chaleur et de masse dans le stockage envisagé, et d’autre part, aux résultats expérimentaux obtenus actuellement dans les laboratoires d’IFPEN.

L’apport original de cette étude sera de pouvoir analyser le comportement du stockage en prenant en compte, les appendices du design interne et la forme des particules.

Enfin, un modèle permettant de représenter le comportement dynamique des systèmes de stockage proposés par IFPEN sera développé. Ce modèle devra considérer l’effet du débit, de la taille des particules, du diamètre, de l’isolation, de la longueur et de la température extérieure.

Compétences

Mécanique des Fluides, thermique, thermodynamique, programmation.

Contact

IFP Energies nouvelles - Direction Mécanique appliquée
David TEIXEIRA
1&4, avenue de Bois-Preau
92852 Rueil-Malmaison cedex
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