PROcédé pour le Stockage Solaire Inter Saisonnier - 2 – PROSSIS2

Un premier projet ANR PROSSIS (2008-2012) a permis de démontrer la faisabilité d’un procédé de stockage de chaleur basse température par absorption. Cependant, de nombreuses problématiques ont été soulevées par ce premier projet et restent à résoudre.
Un verrou étudié par ce nouveau projet est le choix du couple de travail absorbant/absorbat, notamment par l'évaluation et la caractérisation d’absorbants jusqu’à présent inutilisés dans les machines à absorption.
Un second verrou est l'optimisation de la gestion et du contrôle de ce procédé innovant et de sa technologie. Un prototype préliminaire existant est amélioré, en se basant sur des résultats de simulation numérique, afin d'améliorer les performances globales de ce procédé, inclus dans un système solaire thermique, et pour lequel les consommations électriques des auxiliaires ne sont pas négligeables.
La cristallisation de la solution, qui est toujours évitée dans les procédés classiques de réfrigération en raison des risques de bouchage, est ici nécessaire pour augmenter la densité énergétique du stockage. Cette cristallisation doit être réversible et contrôlée, une analyse expérimentale et numérique est donc menée sur cette partie.
Une étude spécifique sur les échangeurs de chaleur et de masse pour ces procédés à sorption sous vide partiel est menée afin d'améliorer les coefficients d'échanges et donc la compacité et la puissance du procédé.

Les échangeurs de chaleur ont été conçus, à partir de plaques ondulées à courant croisé traitées superficiellement pour augmenter leur mouillabilité. La distribution du film liquide sur la surface d’échange ondulée a été étudiée expérimentalement. Un modèle d’absorption a été développé et les simulations obtenues sont globalement satisfaisantes et cohérentes vis à vis des expérimentations.
Concernant le procédé global, un modèle nodal a été développé sous Matlab pour prédire et comprendre le comportement du système. Les puissances prévues par simulation pour le prototype varient de 1 à 8kW en fonction des conditions de fonctionnement.
Pour la caractérisation des couples de sorption, des mesures de pressions de vapeur de solutions salines ont été réalisées. Les diagrammes de Dühring des différents couples sel/eau ont été construits. La capacité de stockage, l’efficacité et les masses de sel et d’eau nécessaires au procédé ont été calculées pour les différents couples étudiés. Le formate de potassium se présente comme un bon compromis et a donc été choisi pour la suite de l’étude.
L’étude de cristallisation en cuve agitée a été réalisées avec le formate de potassium. La solubilité de KCOOH a été mesurée entre 5 à 90°C. La limite de zone métastable de la nucléation a également été mesurée expérimentalement. Cette solution présente une large zone métastable permettant d’envisager l’utilisation d’un support de nucléation pour les futures manipulations sur le pilote de cristallisation.

Un important travail expérimental est encore à prévoir dans les mois qui viennent : au niveau du système global, les échangeurs conçus et le nouveau couple de sorption seront testés dans un prototype au LOCIE. Le pilote de cristallisation du LAGEP a également été remis en service et sera expérimenté dans les mois qui viennent. A l’issue de ces expérimentations, les échangeurs seront également caractérisés finement sur le banc d’essai MAEVA du CEA.

Un article publié dans Solar Energy, un chapitre de livre et 5 communications internationales ont été produits, ainsi que 9 congrès nationaux. Ces productions, majoritairement multipartenaires, mettent en évidence le partenariat fort du consortium du projet. Elles traitent à la fois du développement du procédé global et des analyses réalisées pour la mise en évidence d’un couple de sorption innovant.

Ce projet a pour but le développement d'un procédé innovant de stockage de chaleur solaire pour couvrir les besoins de chauffage d'un bâtiment. Le procédé est basé sur le principe de l'absorption. Il peut stocker de la chaleur sur des périodes modulables, jusqu'à un stockage intersaisonnier, puisque la chaleur est stockée sous forme de potentiel chimique et que ce mode de stockage n'est pas soumis aux pertes de chaleur.
Ce concept a déjà été étudié dans le projet ANR Stock-E PROSSIS. Un modèle numérique dynamique a notamment été développé et un prototype a été construit pour démontrer la faisabilité du concept. Cependant, plusieurs problèmes doivent encore être résolus avant que ce procédé puisse être mis sur le marché, et ces problématiques seront traitées dans ce futur projet:
- cette technologie doit être introduite sur le marché au niveau le plus efficace: une étude de marché et des études de cas seront menées, et un cahier des charges du procédé sera fourni par notre partenaire industriel
- le couple d'absorption choisi (LiBr/H2O) présente des caractéristiques thermodynamiques intéressantes mais est trop onéreux pour une utilisation à grande échelle. L'étude de couples d'absorption innovants et leur caractérisation sera menée pour résoudre cette problématique
- la cristallisation de la solution dans le réservoir de stockage est nécessaire à l'augmentation de la densité énergétique du stockage et donc à la réduction de la taille des réservoirs et à leur coût: cette cristallisation doit être réversible et contrôlée. La cinétique de cristallisation et la forme des cristaux seront mesurés pour optimiser la forme du réservoir
- la gestion du procédé doit être améliorée, au niveau du procédé de stockage et au niveau du système solaire entier. Au niveau du procédé, le but est de réduire la consommation électrique des pompes internes et d'augmenter la densité de stockage par un meilleur contrôle des paramètres du procédé. Au niveau plus global du système solaire, le but est de combiner ce procédé de stockage intersaisonnier avec les autres composants d'un système solaire (capteurs, ballon d'eau chaude, circulateurs, etc) pour optimiser le rendement énergétique global
- les échangeurs de chaleur choisis sont de type 'à film tombant', pour répondre aux contraintes de fonctionnement du procédé. Cependant, ils ont été conçus sur la technologie tube-calandre et cette conception peut être améliorée, pour réduire la taille du réacteur et augmenter les coefficients de transfert de chaleur et de masse, avec des échangeurs à plaque spécifiques. De nouveaux échangeurs seront donc conçus, caractérisés au niveau d'une plaque seule et de l'échangeur complet, pour augmenter la puissance et la compacité du procédé.