Etude des systèmes de stockage thermique par thermocline avec garnissage

Thermocline study of packed-bed thermal energy storage system

• Auteur / Autrice : Baoshan Xie
• Direction : Lingai Luo, Nicolas Baudin, Jérôme Soto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 20/09/2022
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Régis Olivès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yilin Fan, Christian Cristofari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kévyn Johannes, Jean-Pierre Bedecarrats

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolation thermique

Chaleur -- Stockage

Mots clés libres

Stockage d'énergie thermique (TES),

Garnissage

Stratification thermique

Optimisation multi-objectifs

Thermal energy storage (TES)

Thermocline

Storage media

Multi-objective optimization

Résumé

Un réservoir thermocline avec un garnissage constitué de matériaux pour du stockage thermique sensible et/ou latent est une solution prometteuse pour le stockage d’énergie thermique (TES). Les performances d’un tel réservoir sont très dépendantes de la configuration physique, et des matériaux du garnissage. Ainsi, il existe un optimum pour chaque cas d’usage même si quelques règles générales sont conservées. L’objectif de cette thèse consiste à d’abord étudier l’effet de ces différents paramètres géométriques, physiques et thermo-hydrauliques sur l’efficacité du stockage. Une étude d’optimisation est réalisée afin de déterminer la meilleure configuration des paramètres pour un objectif donné. La première partie du manuscrit traite de l’impact des parois sur l’évolution de la thermocline et sur l’efficacité globale de la charge/décharge du réservoir, au moyen d’un modèle numérique simplifié prenant en compte ces effets tout en restant rapide à résoudre.Ensuite, les effets de la configuration du diffuseur d’entrée/sortie, de l’isolation thermique et des paramètres de charge/décharge sont étudiés expérimentalement sur un banc de tests dédié. Cette expérience a permi également de valider le modèle numérique. Ce modèle numérique est ensuite utilisé pour mener une optimisation avec une configuration multi-couches et multi-matériaux du garnissage grâce à un algorithme génétique multi-objectifs pour différents types de cycles de charge/décharge. Cette méthodologie est notamment mise en oeuvre pour une application de stockage thermique dédiée à une serre horticole . Le manuscrit décrit, enfin, des pistes à développer pour des travaux futurs.

The thermocline packed-bed tank with sensible heat or latent heat fillers is a cost-effective option for thermal energy storage (TES). Its thermal performance is very dependent on the packing configurations to each fluid flow and temperature situation. The principal objective of this PhD dissertation is to study the influence factors for different configuration of fluid flow and tank design, and then to conduct multi-layered packing configuration optimization of the storage tank. It starts by exploring the wall impact on thermocline and global thermal performance in dynamic conditions.Then, various influences, including the inlet configuration, the insulation, the filler size, and the operating parameters, on the thermocline in radial and axial direction based on a basic sensible heat filler tank are investigated. After that, the multi-layered configuration optimization of phase change material storage tank using a multi-objective genetic algorithm in multiple cycling is carried out by integrating the tank into an agriculture greenhouse application. The thermal performance of optimal tanks in seasonal operations is studied to find the potential for improvement of future work.