SEED - Systèmes Energétiques Efficaces et Décarbonés

Stockage massif d'électricité par géodoublet thermique et CO2 caloporteur. – SeleCO2

Une technologie innovante de stockage d’électricité basée sur l’utilisation d’un géodoublet thermique.

La maîtrise des pointes de consommation électrique et le développement des ENR sont des défis auxquels sont confrontés la plupart des pays industrialisés. Face à ces contraintes, les systèmes de stockage d’électricité sous forme thermique ont l’avantage de présenter une densité d’énergie plus élevée que les STEP et CAES et de limiter les contraintes géologiques et géographiques

Evaluation de la faisabilité et le positionnement sur le marché de la technologie de stockage massif d’électricité par géodoublet thermique et CO2 caloporteur.

La maîtrise des pointes de consommation électrique et le développement des ENR sont des défis auxquels sont confrontés la plupart des pays industrialisés. <br />Pour relever ces défis, le stockage massif d’électricité sera appelé à jouer un rôle croissant. Toutefois, on observe que les technologies les plus matures comme le stockage hydraulique gravitaire STEP ou les CAES sont confrontées à des contraintes environnementales, géologiques et économiques qui limitent leur progression ou leur déploiement à l’échelle mondiale. <br />Face à ces contraintes, les systèmes de stockage d’électricité sous forme thermique ont l’avantage de présenter une densité d’énergie plus élevée que les STEP et CAES et de limiter les contraintes géologiques et géographiques. La technologie SELECO2 consiste à stocker/ déstocker de l’électricité en stockant la chaleur et le froid issus des phases de compression et turbinage du fluide caloporteur CO2. La quantité d’électricité produite dépendra de la différence de température entre les deux stocks chaud et froid. Le projet a donc pour objectif de dimensionner et d’évaluer économiquement l’installation stockant de grandes quantités d’énergie sur des scénarios intégrant un stockage quotidien, mensuel, semestriel ou annuel.

Pour mener à bien ce projet, la méthodologie employée a consisté à organiser le programme scientifique et technique du projet en 4 Work-Packages (WP):
Le WP 0 est dirigé par ENGIE et dédié à la coordination du projet,
Le WP 1 est mené par ENGIE et dédié à l’évaluation technico-économique du procédé : l’étude de la chaîne de valeur de l’électricité et des technologies de stockage concurrentes permettra de définir les coûts cibles pour le procédé de SeleCO2 ainsi que son positionnement dans la chaîne de valeur.
Le WP 2 est coordonné par le BRGM et est dédié à la modélisation des différents composants du procédé ainsi que son intégration dans un modèle global. Ce WP est clé pour le projet. Le dimensionnement des machines tournantes, les transferts thermiques dans les échangeurs et les stockages thermiques sont un challenge lors de l’utilisation du CO2 supercritique. Une fois ces éléments caractérisés, l’optimisation des paramètres de fonctionnement du système pourra être menée afin de répondre aux contraintes de sollicitation des divers éléments de la chaîne de valeur de l’industrialisation du concept définis par le WP1.
Le WP 3 est coordonné par le CEA et est dédié à la mise en oeuvre d’un dispositif expérimental pour l’étude des écoulements du CO2, en supercritique. Ce WP permettra de déterminer les divers paramètres et les modèles comportementaux du CO2 supercritique (dans le stock chaud) nécessaires aux modélisations du procédé développées dans le WP2. Les essais seront définis selon le comportement de l’installation attendu et établi dans le WP1 et dans le WP2.

Le premier résultat marquant du projet concerne le positionnement de la technologie SELECO2 dans la chaine de valeur de l’électricité. Les premiers résultats montrent que la technologie SELECO2 se positionnerait sur l’optimisation de la productions, des réseaux de transport et de distribution. Le marché de capacité lié au fournisseur d’énergie, pourrait être un marché potentiel pour la technologie SELECO2.
Les premiers résultats de dimensionnement de l’installation (stockages thermiques, machines tournantes,…) et les premières optimisations de choix des matériaux du procédé SELECO2 menées par les partenaires, (et validées par les résultats de simulation numérique) ont contribué à une réduction significative du coût d’investissement de la technologie. Grâce à ces améliorations intervenues au cours de ces derniers mois, la technologie est susceptible de faire partie des technologies compétitives au sein d’un marché à fort potentiel.
Du point de vue expérimental, une boucle d’essai permettant d’évaluer le comportement du CO2 supercritique lors des échanges à la paroi (flux thermique imposé) ainsi que la pénétration thermique dans le massif rocheux (flux diffusif) a été conçue.

La perspective finale du projet est d’évaluer la faisabilité technique, économique et environnementale d’un procédé innovant de stockage d’électricité par géodoublet thermique avec du CO2 supercritique comme fluide caloporteur. La démonstration d’une solution compétitive de ce type permettrait d’apporter une solution pour lever certaines contraintes souvent rencontrées avec les technologies plus matures comme le CAES et le STEP.
Certains verrous (échanges thermiques, cycles de fonctionnement,…) restent encore à lever. Une attention particulière sera portée sur la conception et dimensionnement du stock froid ainsi que sur les pistes de réduction des coûts de la technologies qui restent encore à explorer.

Des papiers couvrant les résultats du projet sont en cours de réflexion/préparation par les partenaires.

La maîtrise des pointes de consommation électrique et le développement des ENR sont des défis auxquels sont confrontés la plupart des pays industrialisés.
Pour relever ces défis, le stockage massif d’électricité sera appelé à jouer un rôle croissant. Toutefois, on observe que les technologies les plus matures comme le stockage hydraulique gravitaire STEP ou les CAES sont confrontées à des contraintes environnementales, géologiques et économiques qui limitent leur progression ou leur déploiement à l’échelle mondiale.
Face à ces contraintes, les systèmes de stockage d’électricité sous forme thermique ont l’avantage de présenter une densité d’énergie plus élevée et de limiter les contraintes géologiques et géographiques.
Ce contexte a motivé le lancement du projet SeleCO2 qui vise à mener les travaux de recherche et développement préliminaires à la mise en œuvre d’une technologie innovante de stockage d'électricité basée sur l’utilisation d’un géodoublet thermique.
Le procédé repose sur un cycle thermodynamique utilisant du CO2 pour emmagasiner l’énergie électrique sous forme de froid et de chaleur dans deux géostocks thermiques implantés dans un massif rocheux superficiel.
Le dispositif comprend deux volumes cylindriques encaissés dans un massif rocheux hors–d’eau, appelés géostocks (l’un « froid » à -55°C minimum et l’autre « chaud » à +95°C maximum) reliés entre eux par un circuit de CO2 sur lequel sont établis des turbomachines. Chaque géostock est composé d’un ensemble d’échangeurs géothermiques verticaux dans lesquels circule le fluide caloporteur (CO2) qui échange sa chaleur avec le massif rocheux encaissant à travers la paroi de l’échangeur.
Pendant la phase de stockage, l’électricité est utilisée pour entraîner une PAC qui puise des calories dans le géostock basse température pour les accumuler dans le géostock haute température. Lorsque le géodoublet est « plein » l’écart de température entre les deux géostock est maximal.
Durant la phase de déstockage, la chaleur accumulée dans le géostock haute température passe vers celui à basse température en étant transformée en énergie mécanique puis en électricité par une turbine et un alternateur. Pendant le déstockage les écarts de températures des deux géostocks s’équilibrent.
La capacité énergétique du stockage correspond à l’énergie sensible accumulée dans les géostocks « chaud » et « froid », ainsi qu’à celle accumulée au sein du volume significatif de CO2 contenu dans les échangeurs géothermiques.
Les études préliminaires réalisées par les partenaires situent le rendement électrique global entre 50 et 70 %, l’utilisation d’une PAC pour la charge permettant de compenser le faible rendement de la conversion énergie thermique-énergie mécanique lors de la décharge. De plus, l’utilisation du CO2 transcritique permet de gagner en compacité et en rendement.
La puissance est de l’ordre de 10 MW, combinée à une capacité thermique importante (˜1 GWh) et surtout une durée de stockage atypique de l’ordre de 100 heures.
Etant donné son positionnement « low-cost » la technologie SeleCO2 présente à priori un potentiel économique, industriel et environnemental.
Eu égard aux incertitudes associées à cette technologie novatrice, le projet s’attachera dans une première phase de 6 mois (marquée par un jalon) à investiguer plus précisément le rendement, la réactivité et les CAPEX.
Ces résultats préliminaires conditionneront la seconde phase où SeleCO2 approfondira la compréhension et la modélisation des échanges thermiques entre le CO2 sous ses différentes phases, les échangeurs et le massif rocheux encaissant, ainsi que les caractéristiques optimales des turbomachines.
Le projet sera coordonné par GDFSUEZ qui apportera ses compétences dans le domaine du stockage de l’énergie, la construction des modèles d’affaires et l’évaluation technico économique des procédés, afin d’optimiser le positionnement du procédé sur ses futurs marchés.

Coordinateur du projet

François-Xavier Lacroix (GDF SUEZ - Direction de la Recherche) – francois-xavier.lacroix@gdfsuez.com

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

GDF SUEZ GDF SUEZ - Direction de la Recherche
BRGM Bureau de recherches Géologiques et Minières
Enertime Enertime SAS
CEA/LITEN Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives - Centre de Grenoble
IMFT Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse/Institut National Polytechnique de Toulouse

Aide de l'ANR 898 748 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2013 - 42 Mois

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