Optimisation du stockage de chaleur à haute température par la technologie thermocline – Opticline

L’intérêt croissant porté aux technologies de conversion et de stockage d'énergie solaire par les centrales solaires à concentration (CSP) est dû en particulier à la possibilité d’intégration d’un système de stockage d’énergie thermique (TES) qui améliore la fiabilité, la disponibilité (production d'électricité à la demande) et réduit le coût opérationnel des centrales CSP (facteur de capacité annuel augmenté). Les systèmes de stockage actuellement disponibles sont les systèmes à deux réservoirs et les systèmes à un réservoir dit thermocline. Le système de stockage à deux réservoirs est le plus couramment utilisé, les fluides chauds et froids étant situés dans deux réservoirs différents. Dans le stockage par thermocline à réservoir unique, le fluide chaud et le fluide froid sont stockés dans le même réservoir, mais séparés par un gradient de température (stratification). Ce concept est une option économique (environ 35% moins chère) et efficace : compact, pertes thermiques réduites, utilisation de matériaux s de recyclage comme remplissage et non utilisation d’un échangeur de chaleur entre les réservoirs chaud et froid.

Cependant, très rares sont les centrales construites utilisant ce type de stockage. Les principaux verrous scientifiques sont: (1) le manque de données détaillées obtenues par un organisme de recherche indépendant; (2) la maîtrise réduite de la stratification de la température qui peut être fortement perturbée par une mauvaise répartition de l'écoulement du fluide injecté; (3) les configurations d'emballage non-optimisées des matériaux de remplissage. La façon dont est résolu le problème de la mauvaise distribution du fluide est un point clé. En effet, la mauvaise configuration du distributeur / collecteur de fluide entraînera une vitesse de fluide plus élevée en centre par rapport à la vitesse à la périphérie du réservoir cylindrique. La non uniformité de l'écoulement, les turbulences locales et les recirculations provoqueront le mélange des fluides chaud et froid et perturberont la stratification de la température (augmentation de l'épaisseur de la thermocline). Les performances thermiques et la capacité de stockage seront alors réduites.

L'objectif général de ce projet est de concevoir et de développer une technologie de stockage d’énergie solaire par thermocline (réservoir unique) possédant une haute efficacité énergétique, une capacité élevée de stockage par stratification thermique et des configurations d'emballage optimisées. En effet, l’application potentielle de cette technologie innovante n'est pas limitée aux centrales solaires, mais dans le secteur TES en général. Les originalités du projet concernent : (1) études systématiques à partir des outils de conception, de la modélisation, des caractérisations locales, des essais sur les prototypes à l’échelle pilote, jusqu’à la mise à l'échelle et la commercialisation ; (2) méthodologie originale d'optimisation de la distribution du fluide permettant de lever le verrou sur le control de la stratification thermique ; (3) utilisation de matériaux de recyclage pour réduire le coût d’investissement par un facteur de 5 à 10. C’est une idée développée dans le cadre d'un projet précédent ANR SOLSTOCK, mais n'a jamais été démontrée à l'échelle pilote (> 100 kWh).

Le projet est donc ambitieux, il présente une recherche de nature multi-échelle en partant d’une étude fondamentale (modélisation en 3D, gestion de fluide), via une maquette à échelle du laboratoire pour une étude hydrodynamique et deux prototypes à l’échelle pilote avec des fluides de transfert différents, pour finir avec l'optimisation de l'intégration du système dans les centrales solaires, la problématique de la mise à l'échelle et la commercialisation de cette technologie.

Le projet sera réalisé en collaboration entre deux partenaires académiques (LTEN-CNRS et PROMES-CNRS) et deux partenaires industriels (Eco-Tech Ceram et ADF PROCESS INDUSTRIES), avec leurs compétences complémentaires.