Etude d’un système de stockage de chaleur thermochimique avec réacteur séparé

par Lauren Farcot

Thèse de doctorat en Energétique et génie des procédés

Sous la direction de Nolwenn Le Pierrès et de Jean-François Fourmigué.

Le président du jury était Khashayar Saleh.

Le jury était composé de Khashayar Saleh, Marc Clausse, Nathalie Mazet, Benoît Stutz.

Les rapporteurs étaient Marc Clausse, Nathalie Mazet.


  • Résumé

    Les systèmes de stockage thermochimique s’avèrent être de bonnes alternatives aux technologies actuelles pour le stockage saisonnier ou intersaisonnier de la chaleur, car l’énergie est stockée sous forme d’un potentiel chimique et donc, il n’y a pas de pertes thermiques pendant la durée de stockage. Un grand nombre d’études a été mené sur le développement de réacteurs thermochimiques intégrés au système de stockage, et peu d’étude ont été menées sur les technologies de réacteur séparé du réservoir de stockage. Ces dernières présentent cependant l’avantage, entre autres, de dissocier la puissance thermique du réacteur et la capacité de stockage de l’installation, ce qui permettrait d’augmenter la densité de stockage.Cette étude se penche sur le développement d’un réacteur thermochimique à lit mobile fonctionnant avec des sels hydratés sous air humide, adapté à des applications aux réseaux de chaleur. Un prototype de réacteur, développé et construit durant cette étude, a permis d’analyser le fonctionnement du réacteur. Cette étude a, entre autres, mis en évidence l’impact des passages préférentiels de l’air sur les performances du réacteur (température et puissance), ainsi que l’importance du titre de vapeur de l’air à l’entrée du réacteur sur ces performances. Il apparaît également que la circulation du solide abaisse sensiblement le point d’équilibre atteint par la réaction.De plus, deux modèles mathématiques ont été développés : un modèle analytique 1D et un modèle 2D prenant en compte les phénomènes de transfert de matière et de chaleur au sein de la zone réactive. Le modèle 2D, validé avec les résultats expérimentaux, a été exploité à l’aide du logiciel de simulation par éléments finis COMSOL Multiphysics afin de mener une étude théorique sur le fonctionnement et les performances du réacteur. Cette étude numérique a porté sur l’influence des conditions opératoires (débit et taux d’humidité de l’air, vitesse du solide) sur les performances et le rendement du système et a permis la comparaison des réacteurs à lit mobile par rapport aux réacteurs à lit fixes, communément développés pour des applications de stockage thermochimique. Cette étude a montré l’importance de la régulation de la vitesse du solide pour l’optimisation des performances du réacteur à lit mobile.L’ensemble de cette étude a permis de mettre en évidence les avantages et les limitations d’un réacteur à lit mobile pour des applications de stockage thermochimique

  • Titre traduit

    Design and analysis of a thermochemical heat storage process with separated reactor


  • Résumé

    Thermochemical storage systems prove to be good alternatives to current technologies for seasonal or inter-seasonal storage of heat, because energy is stored as a chemical potential and therefore, there is no heat loss during the storage period. Nowadays, a large number of studies have been conducted on the development of thermochemical reactor integrated in the storage system, andlittle study has been conducted on reactor technologies separated from the storage system. The latter, however, have the advantage, among others, of separating the thermal power produced or consumed and the storage capacity of the installation, which would increase the storage density.This study investigates the development of a moving-bed thermochemical reactor operating with hydrated salts and humid air cross-flow, suitable for district heating applications. A reactor prototype, developed and built during this study, allowed to analyze the functioning of the reactor. This study has, among others, highlighted the impact of the preferential air flow path on the reactorperformances (temperature and power), as well as the importance of the air humidity at the reactor inlet on these performances.In addition, two mathematical models have been developed : a 1D analytical model and a 2D model taking into account the heat and mass transfer phenomena within the reactive area. The 2D model, validated with the experimental results, was exploited using the finite element simulation software COMSOL Multiphysics to conduct a theoretical study on the functioning and the performances of the reactor. This numerical study focused on the influence of operating conditions (air flow rate and moisture content, solid flow rate) on the performances and the efficiency of the system and allowed the comparison of moving bed reactor over fixed bed reactors, commonly developed for thermochemical storage applications. This study has shown the importance of solid velocity control for optimizing the performances of the moving bed reactor.This study has highlighted the advantages and limitations of moving bed reactors for thermochemical storage applications


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