Procédés thermochimiques hybrides pour la valorisation de chaleur fatale de parcs éco-industriels – ThermHyVal

Ce projet se focalise sur plusieurs verrous énergétiques : la valorisation de sources thermiques basse température ; la demande croissante en électricité et en froid ; la gestion de la variabilité des sources et demandes par des procédés capables de stocker la chaleur et de restituer de l’électricité et/ou du froid ; la coopération inter-agents industriels pour le développement des parcs éco-industriels (EIP), et leur extension vers l’échange de plusieurs formes énergétiques (électricité, froid, chaleur).

Pour répondre aux problématiques soulevées, un cycle thermodynamique innovant est proposé. Ce procédé constitue une véritable rupture technologique par sa multifonctionnalité : Il est dit hybride car il associe deux technologies, les procédés à sorption (principalement thermochimiques) et les installations motrices à vapeur, permettant la cogénération d’électricité et/ou de froid et intégrant une fonction stockage.
Son développement nécessite la maitrise des deux domaines scientifiques et techniques liées à ces deux technologies.
Ce procédé est discontinu, et fonctionne en deux phases :
- une phase de stockage thermique : la source chaude disponible est utilisée pour décomposer un solide réactif S, ce qui génère une vapeur, qui est ensuite condensée. Ce fluide de travail est stocké à l’état liquide à température ambiante ;
- une phase de déstockage et de production d’électricité et/ou froid : le condensat alimente un évaporateur, dans lequel il est évaporé à basse température pour produire un effet frigorifique. Cette vapeur est ensuite détendue dans un organe de détente afin de produire de l’électricité. Au niveau du réacteur, cette vapeur réagit avec le solide dans une réaction exothermique de synthèse de S.
A ce cycle de base, peuvent être intégrées plusieurs récupérations internes de chaleur ou de froid, permettant de concevoir des cycles avancés, aux performances améliorées.

Les problématiques scientifiques portent sur :
- l’intégration optimale des sous-systèmes constituant ces procédés hybrides et l’adéquation de leurs modes opératoires en fonction de la ressource et la demande.
- les couplages massiques et thermiques entre composants du cycle, point clé pour l’analyse de ces procédés hybrides.
- les aspects dynamiques du fonctionnement du procédé, les temps de réponse des composants pouvant être significativement différents
- l’intégration de ce type de procédés dans les parcs éco-industriels
- l’approche systémique qui devra être développée pour ces EIP, mettant en œuvre les échanges de plusieurs formes énergétiques : cette approche devra considérer les difficultés de modélisation liées au couplage des réseaux électriques, de vapeur et de froid de façon simultanée. Le niveau de détail du modèle de procédé devra être adapté au système industriel dans lequel il est inclus.

Les résultats escomptés sont de trois ordres : 1) la preuve de concept expérimentale du procédé hybride de cogénération 2) les outils de simulation dynamique ainsi que l’analyse du comportement d’un tel procédé hybride et de ses voies d’optimisation, 3) l’évaluation de l’impact et des apports de ce procédé innovant pour les EIP, complétée par une étude de cas concret.
Le projet est structuré en trois tâches abordant les échelles composant, procédé et intégration dans les EIP à travers des approches numériques et expérimentales :
1) Développement des outils numériques pour l’analyse dynamique des composants principaux et du procédé, incluant également l’optimisation de ses performances.
2) Expérimentations, depuis la caractérisation de l’organe de détente, l’expérimentation jusqu’au procédé hybride complet incluant un système de supervision.
3) Intégration du procédé dans un EIP, de l’établissement des modèles pour l’optimisation des échanges au sein de l’EIP, jusqu’à une étude de cas sur des données réelles afin d’analyser les apports du procédé et d’établir des préconisations d’intégration.