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SYSTÈMES HYBRIDES ÉOLIEN-DIESEL AVEC STOCKAGE D’AIR COMPRIMÉ (SHEDAC)
Dans le but de réaliser des économies de carburant, des études ont été menées quant à l’implantation d’éoliennes en site isolé pour suppléer les génératrices diesel.Dépendamment du site et de l’intensité du vent, l’installation d’éoliennes a un impact plus ou moins important sur les économies de carburant réalisées.En vue d’augmenter encore plus les économies de carburant réalisées, l’ajout de systèmes de stockage d’énergie alliés à des systèmes hybrides à haut taux de pénétration en puissance éolienne a été l’objet de plusieurs études [1 , 2, 5]. Cette étude a analysé de nombreuses technologies de stockage d’énergie disponibles, comme les batteries Li-ion, le stockage thermique (Thermal Energy Storage ou TES), les volants d’inertie.Finalement, c’est le stockage d’air comprimé (aussi appelé Compressed Air Energy Storage, ou CAES) qui a été choisi comme étant le meilleur choix pour les systèmes hybrides éolien-diese l, de par son adaptabilité aux génératrices diesel déjà installées, sa durée de vie et sa simplicité de fonctionnement [5]. Malgré ces avantages, le CAES induit une problématique supplémentaire au sein du SHEDAC (système hybride éolien diesel avec stockage d’air comprimé), le transfert de chaleur. En effet, lors de la phase de stockage d’énergie, l’air est porté à une pression élevée, qui peut varier entre 40 et plus de 300 bars selon les systèmes. De ce fait, l’air subit une augmentation de température importante, qui varie en fonction de la stratégie de compression utilisée, c.-à-d. du nombre d’étages et du nombre d’échangeurs de chaleur. Afin d’augmenter l’efficacité énergétique globale du système et de diminuer la taille des réservoirs d’air comprimé, il convient de refroidir l’air et de stocker cette chaleur séparément, pour pouvoir l’utiliser lors de la phase de décharge du système et ainsi diminuer la quantité d’air requise quant à l’hybridation du moteur thermique, ou réaliser des tâches annexes, comme assurer le chauffage ou l’approvisionnement en eau chaude des habitations. Les différentes techniques d’hybridation possibles seront présentées dans la partie suivante.
LES SYSTÈMES DE STOCKAGE A CHALEUR LATENTE
Comme évoqué ci-dessus, la chaleur peut également être stockée en utilisant un changement de phase solide-liquide ou liquide-gazeux. Actuellement, ce sont surtout les systèmes uti lisant la chaleur latente de fusion qui sont utilisés. Ces systèmes permettent de stocker de grandes quantités d’énergie dans un volume restreint, et profitent donc d’une très bonne densité d’énergie, bien meilleure que celle des systèmes purement sensibles. En général, la plage de température d’utilisation des MCP est relativement faible, ce qui fait l’affaire de beaucoup d’i ndustries où il n’est pas nécessaire de restituer des températures importantes. À titre d’exemple, dans le cas de l’eau, sa chaleur spécifique est de 4,225 kJ/(kg.K) [9] à 0 oC, alors que sa chaleur latente de fusion à la même température est de 333,55 kJ/kg [9]. Ainsi, on consomme la même énergie pour faire fondre un kilogramme de glace que pour faire monter la température d’un kilogramme d’eau de 80 oC. Ceci illustre bien la puissance des MCP en général, capables de stocker des grandes quantités d’énergie à température quasi constante dans de faibles volumes. Les matériaux les plus couramment utilisés comme MCP sont les paraffines et les sels hydratés [6]. Néanmoins, ces matériaux ont généralement une mauvaise conductivité thermique, ce qui impose des flux thermiques échangeables assez faibles. Plusieurs méthodes existent pour augmenter ce taux d’échange, soit d’insérer dans le MCP des éléments de matériau à haute conductivité demeurant à l’état solide dans la plage d’utilisation du système [10]. L’autre option est, lors de la phase de restitution de la chaleur par le MCP, d’établir un mouvement de convection forcée au sein du liquide. Notons également que plusieurs expériences ont montré que certains MCP, notamment les sels hydratés, avaient une durée limitée et que leurs propriétés se dégradaient après un certain nombre de cycles d’utilisation [7].
LES SYSTÈMES DE STOCKAGE THERMOCHIMIQUES
Les systèmes de stockage thermochimique ont un fonctionnement très différent des deux autres types de TES présentés dans les sections précédentes. En effet, dans le cas du stockage thermochimique, la chaleur apportée au système est utilisée pour provoquer une réaction endothermique et ainsi produire un composé chimique qui sera stocké par la suite. Néanmoins, ce procédé nécessite l’utilisation de réactions le plus parfaitement réversibles possible, pour pouvoir récupérer un maximum de l’énergie stockée lors de la phase de décharge. Cette technologie de stockage est très intéressante, étant données les densités d’énergie stockées atteignables (de l’ordre de plusieurs GJ/m) [7, Il]. De plus, l’énergie ainsi stockée peut être gardée très longtemps quasiment sans subir de pertes. Cela résulte du fait que le composé chimique est stocké à une température proche de l’ambiant, ce qui permet d’économiser des frais d’isolation du réservoir thermique. Le plus gros inconvénient de cette technologie est que le développement de réactions chimiques complètement réversibles est encore à un stade peu avancé [7]. De plus, c’est une technologie relativement complexe à mettre en place et sa durée de vie sur le long terme après un grand nombre de cycles, est assez faible [10]. L’objectif de cette première partie était de présenter le principe de fonctionnement de chaque type de TES, et de mettre en lumière de manière non exhaustive leurs avantages et inconvénients. Dans la partie suivante, seront présentées les différentes architectures possibles pour un circuit de récupération et de stockage de chaleur, ainsi que les critères de choix, dont certains sont inhérents au SHEDAC, dans l’objectif d’éliminer plusieurs solutions non adaptées. Restera ensuite à faire le choix du fluide caloporteur et du matériau de stockage à utiliser pour ces architectures.
LES FLUIDES ORGANIQUES
D’après [13], les fluides organiques caloporteurs peuvent être répartis en trois catégories: les huiles minérales d’origine pétrolière, les huiles synthétiques et les fluides halogénés.De manière générale, les huiles minérales sont relativement bon marché et peu toxiques, néanmoins, leur utilisation est limitée en-dessous de 300 oC [13].Les huiles synthétiques (hydrocarbures aromatiques et huiles silicones) présentent une stabilité thermique plus importante, jusqu’à des températures proches de 400 oC et leur comportement vis-à-vis des métaux est généralement satisfaisant. Leur coût au kilogramme est 2 à 20 fois plus élevé que celui des huiles minérales.Les fluides halogénés sont plutôt utilisés dans l’industrie électronique, où l’on utilise leur évaporation à pression ambiante pour retirer de la chaleur d’un élément ou d’un fluide . Les températures maximales d’usage de ces fluides sont assez basses (entre 120 oC et 150 oC dépendamment du fluide considéré [13]). Les fluides halogénés ont un prix d’achat comparable à celui des huiles silicones, et sont donc très onéreux. Du point de vue énergétique, les huiles organiques ont des capacités calorifiques et des conductivités thermiques nettement inférieures à celles de l’eau. Dépendamment des études, ces valeurs changent. Marvillet et al. [13] présentent des coefficients de performance et un pouvoir calovecteur de deux ordres de grandeur inférieur à celui de l’eau et un pouvoir caloporteur deux fois moindres, en moyenne. Tian et al. [10] fournissent quant à eux des informations plus optimistes et estiment la conductivité des huiles comme étant en moyenne trois fois plus faible que celle de l’eau.
CRITERES DE CLASSIFICATION ET DE CHOIX D’UN ECHANGEUR
Pour commencer, il convient de définir les différents critères de classement technologique des échangeurs de chaleur, afin de pouvoir qualifier avec précision chaque système. Les critères les plus répandus sont [6, 29] :
• classement technologique : on différencie ainSI le type de surfaces d’échange utilisé par l’échangeur dans trois grandes familles
o les échangeurs à tubes : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires
o les échangeurs à plaques: à surface primaire ou secondaire (avec ailettes)
o les autres types d’échangeurs: comme par exemple les caloducs
• classement suivant le mode de transfert de chaleur (conduction, convection ou rayonnement) : il est rare qu’un échangeur n’utilise qu’un seul type de transfert thermique. Le plus souvent, ils combinent convection et conduction.
• classement suivant le procédé de transfert de chaleur:
o sans stockage: l’échangeur agit ainsi en simple récupérateur, avec plusieurs passages de fluide
o avec stockage (par l’intermédiaire d’une matrice tournante ou fixe emmagasinant de la chaleur) : l’échangeur agit alors en régénérateur et il n’y a qu’une seule passe de fluide
• classement fonctionnel:
o les deux fluides sont monophasiques
o un des fluides subit un changement de phase au cours de l’échange thermique: l’échangeur est alors appelé évaporateur ou condenseur
o les deux fluides subissent un changement de phase, comme dans les évapocondenseurs
• classement suivant la compacité de l’échangeur: on dira qu’un échangeur est compact si le ratio de sa surface d’échange par son vol ume total est supérieur à 700 m 2 /m3
• classement suivant le matériau de la paroi d’échange :
o les échangeurs à paroi métallique: acier, cuivre, aluminium .. .
o les échangeurs à paroi non métallique : plastique, céramique .. .
La famille des échangeurs de chaleur est en effet très large, comme le montre le nombre de critères de classification énoncés ci-dessus. Un certain nombre de critères de choix peuvent s’appliquer en fonction des situations. Dans notre cas, celui de Tuktoyaktuk, les critères de choix les plus importants sont incontestablement les pressions et températures de service. En effet, la pression de l’air en sortie du moteur,utilisé en mode compresseur, peut atteindre 40 bars et sa température 600 oC, pour un débit d’air maximal de 3 kg/s, ce qui correspond à des conditions de fonctionnement extrêmes.
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Table des matières
REMERCIEMENTS
RÉSUMÉ
ABSTRACT
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABRÉVIATIONS, DES SIGLES ET DES ACRONyMES
LISTE DES SyMBOLES
CHAPITRE 1 PROBLEMATIQUES LIEES A L’APPROVISIONNEMENT EN ELECTRICITE EN SITE ISOLE
1.1 INTRODUCTION
1.2 PRINCIPES ET CONTRAINTES DE FONCTIONNEMENT D’ UNE GÉNÉRATRICE DIESEL
1.3 SYSTÈMES HYBRIDES ÉOLIEN-DIESEL AVEC STOCKAGE D’AIR COMPRIMÉ (SHEDAC)
1.4 PRÉSENTATION DES DIFFÉRENTES TECHNIQUES D’HYBRIDATION PNEUMATIQUE D’ UN MOTEUR DIESEL
1.5 OBJECTIFS ET MÉTHODOLOGIE
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE ET ÉTUDE DE CONCEPTION PRÉLIMINAIRE D’UN SYSTÈME DE RÉCUPÉRATION ET DE STOCKAGE DE CHALEUR
2.1 GÉNÉRALITÉs SUR LES TES
2.1.1 Les systÈmes de stockage à chaleur sensible
2.1.2 Les systÈmes de stockage à chaleur latente
2.1.3 Les systÈmes de stockage thermochimiques
2.2 PRÉSENTATION ET ÉTUDE DES ARCHITECTURES DE STOCKAGE DE CHALEUR
2.2.1 CritÈres de choix
2.2.2 Classification des architectures de stockage
2.2.3 Choix d’une solution de stockage
2.3 PRÉSENTATION ET ÉTUDE DES FLUIDES CALOPORTEURS ET DES MATERIAUX DE STOCKAGE
2.3.1 PrÉsentation des caractéristiques des fluides caloporteurs
2.3.2 Comparaison des principaux fluides caloporteurs applicables au SHEDAC
2.4 PRÉSENTATION DES MATERIAUX DE STOCKAGE ENViSAGEABLES
2.4.1 Étude des différents MCP
2.4.2 Étude des matériaux de stockage sensibles
2.4.3 Le stockage thermochimique
2.5 PRÉSENTATION DES SOLUTIONS COMPLETES RETENUES
2.5.1 Solution complète 1
2.5.2 Solutions complètes 2 et 2 bis
2.5.3 Solution complète 3
2.5.4 Solution complète 4
2.6 CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE 3 ETUDES INDEPENDANTES DU FONCTIONNEMENT DES COMPOSANTS DU SHEDAC
3.1 MÉTHODOLOGIE ET MODELES UTILISES
3.1.1 Cycle thermodynamique du moteur hybride
3.1.2 Calcul des quantités d’energie mises en jeu au sein du detendeur
3.1.3 Calcul des quantités d’énergie mises en jeu au sein du compresseur
3.2 PRÉSENTATION DES RESULTATS ET DISCUSSION
3.2.1 Étude du processus de détente
3.2.2 Étude du processus de compression
3.2.3 Influence des paramètres d’entrée de l’air sur le fonctionnement du moteur
3.3 CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE 4 CONTRIBUTION DES ÉQUIPEMENTS SUPPLÉMENT AIRES SUR LE FONCTIONNEMENT ANNUEL
4.1 PRÉSENTATION DU MODÈLE ET TUTORIEL D’UTILISATION
4.1.1 Bloc « paramÈtres »
4.1.2 Bloc magenta: Lecture du fichier excel et génération des puissances généres et consommées
4.1.3 Bloc bleu clair: mode selector – SHEDAC
4.1.4 Bloc rouge: MOteur hybride et controlleur
4.1.5 bloc vert: compresseur multietagé
4.1.6 Bloc bleu clair: reservoirs d’air comprimé
4.1.7 Bloc gris: Thermal energy storage
4.1.8 Bloc jaune: detendeur multietagé
4.1.9 Bloc orange: cas ou seule une génératrice diesel est installée
4.1.10 Blocs blanc et vert fonce: CAs du SHED sans stockage d’énergie
4.2 STRATEGIES DE CONTROLE DU MOTEUR THERMIQUE – REUTILISATION DE L’AIR COMPRIME
4.3 RESULTATS OBTENUS
4.4 CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE 5 ÉTUDE D’IMPLANTATION D’ UN ÉCHANGEUR DE CHALEUR ET SYSTÈME TES AU SEIN D’UN SHEDAC
5.1 INTRODUCTION
5.2 PRÉSENTATION DES DIFFERENTS MODELES D’ECHANGEUR
5.2.1 Critères de classification et de choix d’un échangeur
5.2.2 Les échangeurs tubulaires
5.2.3 Les échangeurs à tubes ailetés
5.2.4 Les échangeurs à tubes et calandre
5.2.5 Les échangeurs à plaques
5.2.6 Autres types d’échangeurs métalliques
5.3 PRINCIPES DE CONVECTION FORCEE
5.3.1 Caractéristiques d’un flux visqueux
5.3.2 Transferts de chaleur par convection dans un tube
5.3.3 Lois empiriques régissant les transferts de chaleur convectifs en régime d’écoulement forcé
5.4 DIMENSIONNEMENT THERMIQUE D’UN ECHANGEUR DE CHALEUR
5.4.1 Théorie et méthodes de dimensionnement
5.4.2 Pré-dimensionnement d’un échangeur de chaleur pour le site de Tuktoyaktuk
5.5 PRÉSENTATION DU MODÈLE D’ECHANGEUR DE CHALEUR UTILISE
5.5.1 Modèle de l’échangeur co-courant
5.5.2 Modèle de l’échangeur contre-courant
5.6 DISCUSSION DES PREMIERS RESULTATS OBTENUS
5.6.1 Quel type d’échangeur se prête le mieux à un circuit de récupération d’énergie?
5.6.2 Influence deS paramÈtres géométriques sur le flux de chaleur échangé
5.6.3 Influence du diamètre intérieur de la conduite annulaire d’eau D eau
5.7 REGULATION DU DEBIT D’EAU EN FONCTION DES DONNEES EN ENTREE DE L’ECHANGEUR
5.8 TESTS PRELIMINAIRES DE CONTROLE DU TES
5.8.1 PrÉsentation du modèle
5.8.2 scenario de fonctionnement utilisé
5.8.3 resultats obtenus et interpretations
5.9 CONCLUSION DU CHAPITRE
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
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