Etude de l’influence de la distribution de fluide sur le comportement thermohydraulique d’un réservoir de stockage thermique mono-cuve dual-media

Résumé :

Dans le cadre du développement des énergies renouvelables et des énergies de récupération, le stockage thermique est un sujet de recherche majeur puisqu’il permettrait de supprimer le désavantage majeur qu’est l’intermittence de la plupart de ces énergies. Parmi les technologies prometteuses, le stockage de chaleur sensible mono-cuve est une alternative intéressante aux technologies habituelles à deux cuves. L’utilisation d’un milieu poreux granulaire, à la place du milieu libre des stockages à thermocline, permet de réduire la quantité de fluide de stockage, souvent coûteux. Dans ce type de technologie, l’influence de la distribution du fluide en entrée et sortie du milieu poreux sur les performances est peu étudiée. L’étude bibliographique du sujet a montré que la plupart des études expérimentales et numériques de stockages thermiques dual-media sont monodimensionnelles ou considèrent que la distribution du fluide est idéale, c’est-à-dire uniforme perpendiculairement à l’écoulement général. Toutefois, une étude récente remet en cause cette hypothèse, soulevant la question de l’impact potentiel de la distribution de fluide pour une application industrielle. Par ailleurs, les milieux poreux étudiés sont en général constitués de grains d’une seule granulométrie. Dans un premier temps, une campagne expérimentale est réalisée. Une installation expérimentale, utilisant un milieu poreux à deux granulométries, est utilisée pour effectuer des cycles de charges et de décharges avec un suivi des grandeurs physiques caractéristiques. Trois distributions de fluide sont disponibles pour l’entrée et la sortie du fluide à haute température. Les données récoltées donnent de premiers résultats sur l’influence de la distribution de fluide sur ce type de stockage et oriente la suite de l’étude. L’analyse des données permet également d’observer les imperfections de l’installation et d’en rechercher les causes et conséquences. Dans un second temps, le fonctionnement du stockage thermique mono-cuve dual-media est étudié numériquement. Un modèle numérique multi-dimensionnel et tenant compte de la granulométrie double est développé. Ce modèle, développé à partir de l’étude de la littérature pertinente et en particulier des travaux réalisés précédemment au Laboratoire de Stockage Thermique (LST) du CEA-LITEN, se base sur la résolution des équations classiques de la thermodynamique, appliquées à un milieu poreux. Sa spécificité est de résoudre une équation de conservation de la chaleur pour le fluide et une pour chacune des deux phases solides granulaires. Le modèle est validé par comparaison avec des résultats expérimentaux tirés de la campagne réalisée. L’accord obtenu entre les données expérimentales et numériques est jugé acceptable. Le modèle développé est employé pour réaliser une étude théorique de l’influence de la distribution de fluide sur le comportement du stockage. Plusieurs tests de charge et de décharge en conditions idéalisés sont effectués sur un système représentant le milieu poreux de l’installation expérimentale. Deux distributions de fluide sont comparées, l’une uniformément répartie et l’autre avec un fort jet axial et centré. L’influence de la convection naturelle et de l’augmentation de vitesse du fluide liée à la distribution est étudiée en répétant les mêmes tests après avoir modifié les paramètres physiques du modèle. Les essais relient ces phénomènes physiques aux comportements observés. Dans un dernier temps, les résultats obtenus expérimentalement et numériquement sont rassemblés et interprétés dans le cas d’une éventuelle application industrielle. Des recommandations sont apportées pour le cas où l’impact de la distribution de fluide mis en évidence serait non-négligeable. Ces recommandations sont basées sur les résultats précédents et sur une étude bibliographique des solutions techniques de distribution des fluides dans ce type de stockage thermique.