Influence du fluide du travail, de la technologie des échangeurs et du pilotage dynamique d’un cycle ORC sur l’intérêt et les performances d’un système de conversion d’Énergie Thermique des Mers

Influence of working fluid choice, heat exchangers technology and dynamic control of an ORC on the interest and performances of an Ocean Thermal Energy Conversion system

• Auteur / Autrice : Alexandre Dijoux
• Direction : Jean Castaing-Lasvignottes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique énergétique
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : La Réunion
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Technologies et Santé (Saint-Denis, La Réunion)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d'Ingénierie mathématique pour l'énergie et l'environnement (Saint-Denis, Réunion)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Neveu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laëtitia Adelard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Lemort

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau de mer -- Thermodynamique

Régime transitoire (électricité)

Échangeurs de chaleur

Cycle de Rankine

Centrales maréthermiques

Mots clés libres

Énergie thermique des mers (ETM)

Cycle Organique de Rankine (ORC)

Échangeurs de chaleur

Fluides de travail

Étude dynamique

Régime transitoire

Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC)

Organic Rankine Cycle (ORC)

Heat exchangers

Working Fluid

Dynamic Study

Transient Operation

Résumé

La différence de température entre l’eau de mer chaude de surface (d’origine solaire tropicale) et celle qui est froide en profondeur (qui vient des pôles) constitue une source d’énergie stable, propre et renouvelable disponible dans l’océan. Cette énergie thermique des mers (ETM) peut être convertie en électricité par le cycle organique de Rankine (ORC). Le faible écart de température entre les sources chaudes et froides représente ce-pendant un défi technique à la fois pour les transferts thermiques et pour les performances du cycle. L’objectif de cette thèse est d’explorer les possibilités d’amélioration du fonctionnement d’un ORC appliqué à l’ETM, de compléter les connaissances des composants du système et de mettre en évidence les avantages de cette technologie nouvelle sur un réseau non-interconnecté comme celui de La Réunion. Les travaux présentés se basent à la fois sur des simulations et sur des résultats expérimentaux obtenus sur un banc d’essai de 450 kW thermique nommé le PAT ETM. Dans le premier chapitre, une nouvelle méthode de choix du fluide de travail est proposée. L’étude fait ressortir certains fluides peu considérés jusqu’à présent pour l’ETM. Dans le second chapitre, l’outil expérimental (PAT ETM) est présenté en détail. Le troisième chapitre dresse le bilan des technologies d’échangeurs qui ont été testées et caractérisées. Le quatrième chapitre traite de la modélisation dynamique d’un système ETM. Cette étude aboutit sur l’évaluation de la pilotabilité d’une centrale complète et met en évidence une opportunité encore peu explorée : celle d’utiliser l’ETM comme un outil de gestion pour assurer le contrôle d’un réseau électrique.

The temperature difference between the hot surface seawater (of tropical solar origin) and the cold one at depth (which comes from the poles) constitutes a stable, environmentally-friendly and renewable source of energy available in the ocean. This ocean thermal energy conversion (OTEC) can be used to produce electricity by the way of an organic Rankine cycle (ORC). However, the small temperature difference between hot and cold sources represents a technical challenge both for heat transfers and for cycle performances. The objective of this thesis is then to explore the operation improvement possibilities of an ORC applied to OTEC, to complete the knowledge of the system components and to highlight the advantages of this new technology on a non-connected grid such as that of Reunion Island. This work is based both on simulations and on experimental results obtained on a 450 kW thermal energy onshore prototype named PAT ETM. In the first chapter, a new method for the choice of the working fluid is proposed. The study brings out some fluids so far little considered for OTEC. In the second chapter, the experimental tool (the PAT ETM) is presented extensively. The third chapter reports the heat exchanger technologies that have been tested and characterized. The fourth chapter deals with the dynamic modeling of an OTEC system. This study leads to the assessment of the control-lability of a complete power plant and shows a still little explored opportunity: that of using OTEC as a management tool to control an electrical network.