Etude théorique et expérimentale d’un composant de stockage thermocline avec matériau à changement de phase : intégration à une centrale électro-solaire à concentration

Experimental and modeling study of a thermocline latent/sensible heat storage system integrated with a cylindrical-parabolic concentrated solar power plant

• Auteur / Autrice : Muhammad Asaad Keilany
• Direction : Jean-Jacques Bézian, Quentin Falcoz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 18/12/2020
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....) - Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan) - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE
• Jury : Président / Présidente : Elena Palomo Del Barrio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Bézian, Quentin Falcoz, Benoît Stutz, Jean-Pierre Bedecarrats, Sandrine Pincemin, Gilles Flamant, Mathieu Milhé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Stutz, Jean-Pierre Bedecarrats

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermoclines

Porosité

Déchets (matériaux de construction)

Matériaux à changement de phase

Énergie -- Stockage

Centrales solaires

Mots clés libres

Centrale solaire à concentration (CSC)

Stockage d'énergie thermique (SET)

Thermocline

Chaleur latente

Chaleur sensible

Matériau à changement de phase (MCP)

Déchets recyclés

Projet pilote

Modélisation numérique

Modèle solide continu (C-S)

Modèle concentrique de dispersion (D-C)

Paramètres de performance thermique

Méthode de porosité enthalpique

Concentration solar power (CSP)

Thermal energy storage (TES)

Thermocline

Phase-Change material (PCM)

Recycled waste as a solid filler

Pilot-scale

Numerical modeling

Continuous solid model (C-S)

Concentric dispersion model (D-C)

Thermal performance parameters

Enthalpy porosity method (EPM)

Résumé

La chaleur produite dans les centrales solaires à concentration (CSC) peut être stockée à faible coût dans le but d’étendre la durée de production d’électricité quotidienne, ce qui représente un avantage sur les systèmes photovoltaïques. La technique le plus souvent employée repose sur deux réservoirs de fluide caloporteur, un chaud et un froid. Des travaux sur le stockage « thermocline » sont actuellement menés en vue de réduire les coûts d’installation du stockage : la chaleur sensible est stockée dans un lit poreux de matériaux inertes, la charge et la décharge se faisant par deux entrées opposées dans le réservoir. Cette technique est limitée par le fait que le gradient de températures (la thermocline) est de plus en plus large au sein du lit poreux au fur et à mesure de son utilisation, donc la température du fluide réchauffé n’est pas constante et le groupe de production perd en puissance. Les travaux porteront sur l’intégration de matériaux à changement de phase (MCP) dans une CSC de 150 kWth. L’objectif est de concevoir un système de stockage à chaleur latente permettant de garantir une meilleure stabilité des températures du fluide caloporteur que le système de thermocline à chaleur sensible. En particulier, les sujets suivants seront abordés : ­ identification des MCP d’intérêt pour l’installation étudiée et caractérisation de leurs propriétés thermo-­physiques, mise au point d’une solution d’encapsulation des MCP ­ implémentation dans l’installation existante et essais, modélisation de l’ensemble de l’installation, incluant les phénomènes de transfert externes et internes des MCP encapsulés, établissement d’un système de contrôle commande adapté au stockage mixte MCP/chaleur sensible.

Heat from concentrated solar plants (CSP) can be efficiently stored at low cost in order to increase the daily operating time of energy production, which represents an advantage on photovoltaic systems. The most common solution for this consists in adding two storage tanks, one for the hot fluid after the concentrators and the other for the cold fluid before them. In order to reduce the operational and capital cost of the installations, research on the thermocline solutions is ongoing: sensible heat is stored in a single tank containing a porous mineral bed, this tank being alternatively charged during day­time and discharged at night with the heat transfer fluid. An issue with this technique is that a temperature gradient exists in such storage systems, which limits the efficiency of the thermocline as a hot source for the thermodynamic cycle combined to the CSP. We are working on the integration of phase­change materials(PCM) in a CSP coupled to a micro solar power plant with 150 kWth capacity and 15 kW ORC turbine. The objective is to design a system offering a more stable outlet temperature than the actual thermocline based on sensible heat storage. The following issues will be addressed during this PhD work: Identify interesting PCM in regard of the potential operating conditions (about 300°C), ­ Measure the thermo-­physical properties of the selected materials, Design and develop an encapsulation solution, Install the necessary monitoring probes, Integrate encapsulated PCM into the existing thermocline (working with sensible heat storage) and perform tests with complete system (about 250 kWth storage capacity), Model the whole plant, focusing on heat transfer phenomena around and inside the encapsulated PCM, and in the storage tank, ­Develop a control system adapted to the management of the thermocline with PCM, Assess the potential of micro­CSP plants with mixed sensible material­-PCM as storage solution; in particular the size effect will be studied.