Combinaisons huiles/solides pour le stockage thermocline : De l’étude des matériaux au modèle de stockage thermique

par Sophie Molina

Thèse de doctorat en Énergétique

Sous la direction de Jean-Pierre Bedecarrats.


  • Résumé

    Ces dernières décennies ont vu le développement exponentiel des technologies de stockage, du fait des contraintes de plus en plus fortes sur le secteur énergétique et les ressources fossiles, suscitant un intérêt croissant de la part des chercheurs et des industriels. Ces technologies trouvent en effet de multiples applications, par exemple en combinaison avec des sources d’énergie renouvelable pour pallier leur intermittence, ou en récupération de chaleur fatale sur les procédés industriels. De nombreux concepts ont été développés à ce jour, et parmi eux la solution thermocline dual-media, qui consiste à stocker l’énergie sous forme thermique dans un réservoir contenant le mélange d’un fluide et d’une matrice solide.C’est sur cette technologie que s’est focalisé le projet Therm’Stock, porté par le groupe CNIM et soutenu par les Investissements d’Avenir de l’ADEME. Ce projet, débuté en 2015, associe cette entreprise à trois laboratoires, dont le Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés (LaTEP) de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour. La contribution du LaTEP dans le projet a été centrée sur l’étude des matériaux de stockage à utiliser pour le système thermocline envisagé, avec un focus sur les huiles thermiques comme fluide caloporteur.Dans un premier temps, un recensement des huiles disponibles commercialement a été réalisé, afin de sélectionner les fluides répondant aux contraintes du projet Therm’Stock, et notamment à la gamme de température de fonctionnement visée. Les huiles sélectionnées ont ensuite été caractérisées à l’aide du matériel disponible au laboratoire, afin de définir un ordre de priorité pour leur étude. L’huile Jarytherm® DBT s’étant démarquée, c’est ce fluide qui a été choisi pour la suite des analyses.Ces analyses ont porté sur deux aspects d’intérêt pour le stockage thermocline dual-media : le vieillissement du fluide caloporteur, et sa compatibilité avec le matériau de stockage solide. Les études réalisées ont permis d’évaluer l’influence de différents paramètres sur le vieillissement de l’huile (température, durée), ainsi que sa compatibilité avec plusieurs familles de matériaux. Au total, ce sont 15 combinaisons huiles/solides qui ont été testées, sur 18 campagnes d’essai.Deux matériaux solides ont montré une compatibilité intéressante avec l’huile Jarytherm® DBT : l’acier et le verre soda-lime. Afin de compléter l’étude réalisée au laboratoire, ces deux combinaisons ont été introduites et testées dans un pilote de stockage thermocline dual-media, développé et exploité par Bertin Technologies, filiale du groupe CNIM. Certains des résultats obtenus ont été communiqués au LaTEP, et ont permis une étude à échelle pilote des performances du stockage avec les matériaux sélectionnés. Cette analyse a par la suite été complétée par une étude numérique, au travers du développement d’un modèle spécifique de stockage thermique. L’utilisation de ce modèle a permis de confirmer et d’étendre les résultats expérimentaux obtenus sur le pilote de Bertin Technologies, mais également d’intégrer les données de vieillissement générées sur le banc d’essai du laboratoire.

  • Titre traduit

    Oils/solids combinations for thermocline storage : From materials to storage modelling


  • Résumé

    These last decades, stronger constraints on the energy sector and fossil sources depletion have pushed towards an increased development of storage technologies, which benefited from a renewed interest from researchers and industrialists. These technologies can be implemented in various applications, for example in combination with renewable energy sources or for waste heat recovery in industrial processes. Several concepts have been developed so far, and among them the dual-media thermocline, which consists in storing thermal energy in a single tank, containing a fluid in direct contact with a solid matrix.Therm’Stock project, led by the CNIM group and supported by the “Investissements d’Avenir” program from ADEME, has focused on this dual-media thermocline system. This project started in 2015, gathering the leading company and three laboratories, including the Laboratory for Thermal, Energy and Process engineering (LaTEP) from the University of Pau (UPPA). LaTEP contribution to the project has been focused on storage material selection and characterization, and more particularly on thermal oils as heat transfer fluids.The study began with a screening of commercial thermal oils, in order to select the ones that could match the constraints linked to Therm’Stock project, and especially the temperature range chosen, between 100 and 350°C. The identified oils have then been characterized using the devices available at LaTEP, to define a priority order for their evaluation for thermal storage. Jarytherm® DBT oil showed promising properties, and this fluid was chosen for the following analyses.These analyses focused on two main aspects, of interest for dual-media thermocline systems: oil ageing, and its compatibility with solid storage medium. The influence of temperature and time on oil ageing has been evaluated, along with the importance of the solid in direct contact with the fluid. In total, 15 oils/solids combinations have been considered, with 18 test campaigns. Two solids have shown promising compatibility with Jarytherm® DBT oil: steel and soda-lime glass. In order to complete the laboratory-scale tests, these two combinations have been introduced and tested in a pilot-scale dual-media thermocline, developed and exploited by Bertin Technologies, a CNIM group affiliate. Some of these experimental data have been shared with LaTEP, and allowed for a pilot-scale study of storage performance with the selected materials. This analysis was then complemented by a numerical study, through the development of a specific one-dimensional storage model. Using this model, experimental data generated on Bertin Technologies pilot could be confirmed and extended. Integrating data from laboratory-scale ageing tests, the influence of heat transfer fluid degradation on storage performance has also been evaluated.


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