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Procédé de stockage intersaisonnier de chaleur solaire pour le chauffage du bât

Procédé de stockage intersaisonnier de chaleur solaire pour le chauffage du bâtiment par procédé à absorption LiBr-H2O. Nolwenn LE PIERRES1*, Lingai LUO1, Edem N’TSOUKPOE1, Denis MANGIN2, Liting FAN2, Philippe MARTY3, Christophe MARVILLET4, Cédric PAULUS5, Philippe LANCEREAU5. 1Laboratoire Optimisation de la Conception et Ingénierie de l’Environnement (LOCIE), CNRS FRE3220-Université de Savoie, Polytech’Savoie, Campus Scientifique, Savoie Technolac, 73376 Le Bourget-Du-Lac 2 Laboratoire d'Automatique et de Génie des Procédés (LAGEP), Université de Lyon, Université Lyon 1, UMR5007-CNRS, CPE, F-69622 Villeurbanne 3 Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI), BP 53, 38041 Grenoble cedex 4 CIAT S.A., avenue Jean Falconnier, BP 14, 01350 Culoz 5 Institut National de l’Energie Solaire (INES) - CEA/LITEN, BP332, 73377 Le Bourget-Du-Lac *(auteur correspondant : nolwenn.le-pierres@univ-savoie.fr) Résumé - Un procédé de stockage intersaisonnier de chaleur solaire pour le chauffage du bâtiment est présenté. Il utilise un procédé à absorption, et comporte les mêmes composants qu’une machine à froid fonctionnant sur ce principe (absorbeur, désorbeur, condenseur, évaporateur) avec deux réservoirs de stockage intermédiaires. Le couple LiBr/H2O est choisi pour cette étude de faisabilité, et ses caractéristiques de cristallisation sont testées. Les échangeurs à mettre en œuvre sont du type ‘film tombant’, afin de répondre aux contraintes spécifiques du système. 1. Introduction L’énergie sous forme de chaleur peut aujourd’hui être stockée essentiellement sous forme de chaleur sensible ou latente, ce qui conduit à limiter la durée de stockage afin d’éviter des pertes importantes. Le stockage sous forme de potentiel chimique se révèle être adapté au stockage de chaleur sur le long terme parce qu’il présente peu de pertes thermiques à l’ambiance. Toutefois, aujourd’hui, il n’existe pas de système achevé dédié à ce type de stockage [1]. L’objectif de ce projet est de développer un procédé innovant pour le stockage sous forme de potentiel chimique par procédé absorption de l’énergie solaire pour couvrir les besoins de chauffage dans l’habitat. L’énergie solaire recueillie en excès en été par des capteurs solaires thermiques est stockée par le phénomène de désorption sous forme d’une solution riche absorbante et d’un liquide pur (absorbat) qui sont séparés puis stockés dans deux réservoirs distincts pendant la durée choisie. Lors d’un besoin de chaleur, la mise en contact de ces deux composés permet de produire la chaleur nécessaire par absorption. 2. Fonctionnement 2.1. Principe Ce procédé comporte les mêmes composants actifs qu’une machine à froid à absorption (figure 1), mais ces composants n’y sont pas mis en œuvre en continu. Au contraire, on distingue deux phases : une phase de régénération en été et une phase de production de chaleur en hiver. La désorption de l’absorbat de la solution pauvre a lieu en été dans le générateur grâce à la chaleur issue des capteurs solaires, la vapeur produite étant condensée à température ambiante dans un condenseur. La production de chaleur utile a lieu en hiver dans l’absorbeur, suite à l’évaporation à basse température (de l’ordre de 10°C) de l’absorbat dans un évaporateur, par exemple relié à une source géothermique. Deux réservoirs de stockage (l’un pour l’absorbat, l’autre pour l’absorbant plus ou moins riche) jouent le rôle de composants intermédiaires lors des phases inertes du procédé. Une des originalités de ce projet est de concentrer la solution jusqu’à la cristallisation d’une partie de la solution dans son réservoir de stockage à la fin de la désorption, alors que le fonctionnement des machines à absorption exclut généralement cette possibilité, afin d’assurer la circulation du fluide. Cette forte concentration de la solution riche en fin de phase de stockage permet d’augmenter la densité du stockage énergétique, et est possible grâce au fonctionnement discontinu du procédé. Figure 1 : Composants du procédé de stockage intersaisonnier de chaleur par absorption 2.2. Simulation dynamique du fonctionnement et dimensionnement des composants Pour permettre une compréhension détaillée du fonctionnement du système, une modélisation dynamique du procédé a été développée pour prédire sur des périodes de plusieurs années le comportement thermique des composants [2]. Le dimensionnement obtenu grâce aux simulations dynamiques d’une maison de type ‘passif’ (besoins de chaleur de 15 kWh/(m2.an)) de 120 m2 dans un climat de type alpin est résumé au Tableau 1. Le rendement global annuel, défini comme la chaleur fournie par le procédé pour le chauffage du bâtiment sur la quantité de chaleur solaire absorbée est de l’ordre de 35%. Cette valeur, qui prend en compte l’ensemble des masses sensibles du procédé, sera optimisée dans la suite de ce projet. Surface de capteurs solaires m2 14 Masse de sel absorbant kg 7000 Volume du réservoir de solution m3 8 Volume du réservoir d’absorbat m3 4 Tableau 1 : Dimensions des principaux composants du procédé dans le cas du couple d’absorption LiBr-H2O 3. Choix du couple d’absorption et cristallisation 3.1. Choix du couple LiBr/H2O Nous avons retenu les critères suivants pour le choix d’un couple de sorption : - haute densité énergétique du stockage - puissance thermique suffisante disponible lors de la production de chaleur - température de désorption compatible avec celle de capteurs solaires thermiques - température d'absorption suffisante pour le plancher chauffant - couple facile à manipuler (si possible non toxique ni corrosif) - coût acceptable, en raison des quantités importantes mises en jeu. Ces critères sont souvent difficiles à concilier, et un compromis doit être trouvé. Différents couples de sorption ont été évalués (Tableau 2) [3-4]. Le LiBr est l’absorbant présentant les températures de fonctionnement les plus adaptées à notre application, il a donc été choisi dans le cadre de ce projet de démonstration de faisabilité. En vue d’une application commerciale, il faudra cependant travailler à l’utilisation d’un couple moins onéreux. Couple Prix d’absorbant [€/tonne] Concentration maximum [%] Capacité de stockage [kJ/kg matériel] Température d’énergie solaire [°C] LiBr/H2O ~6000 69 1900 75 LiCl/H2O ~3400 70 5271 65 H2O/NH3 ~400 (coût NH3) 80 1600 130 CaCl2/H2O ~140 51 1103 50 NaOH/H2O ~300 52 3050 75 Tableau 2 : Paramètres d’évaluation de différents couples de sorption pour le stockage de chaleur 3.2. Caractéristiques de cristallisation Une des originalités de ce concept est d’atteindre la cristallisation du LiBr dans le réservoir de stockage de la solution au cours de la phase de désorption. La connaissance des données de solubilité est alors essentielle pour concevoir l’installation et optimiser son fonctionnement (Figure 3) [5-9]. Les données de la littérature présentant une importante dispersion, une première étude a porté sur la détermination de la courbe de solubilité. La figure 3 montre que nos résultats expérimentaux sont assez proches des résultats rapportés par Boryta [5] et Kessis [8]. Un autre point important à propos de cette cristallisation est la phase cristalline formée. La forme cristalline influera en effet sur la quantité de solution liquide restant dans le réservoir de solution, laquelle pourra être recirculée. A température inférieure à 35°C, le LiBr cristallise sous sa forme di-hydratée. La transition entre le dihydrate et le trihydrate est de l’ordre de 2.9℃ [5] à 5.7℃ [7]. Ces températures étant proches de celle du réservoir de solution en hiver (supposé situé dans le sol à faible profondeur), il faudra veiller à conserver suffisamment de solution liquide dans le réservoir en cas de formation de trihydrate. Figure 3 : Solubilité du LiBr en fonction de la température 3.3. Maîtrise de la cristallisation La cuve de stockage pourra contenir une large proportion de solide, en fin de désorption ou en début d’absorption. Or, durant ces phases, il conviendra de toujours être capable de pomper de la solution claire, en équilibre avec le solide déposé. Pour cela, différentes approches peuvent être envisagées (Figure 4) : - Sans autre système de contrôle, les cristaux formés dans la cuve de stockage se déposeront au fond du réservoir, en raison de leur densité et de la durée de stockage. Le risque principal lié à cette méthode porte sur la difficulté potentielle lors de la phase d’absorption de dissoudre ce solide déposé en couche épaisse pour maintenir la concentration de la solution à la solubilité. - Le développement d’un support de nucléation est possible, afin de favoriser le dépôt d’un solide présentant une surface spécifique importante et éviter le compactage de celui-ci dans le fond du réservoir. La difficulté de cette méthode est liée à la présence importante d’impuretés dans la solution (due au coût élevé de purification de celle-ci et à la corrosion possible du système, notamment) et donc à la présence intrinsèque de supports favorables à la nucléation au sein même de la solution. - Le déclenchement de la nucléation est enfin possible sur paroi froide dans le réservoir. Cette méthode ne devra cependant pas augmenter la complexité du système, ni diminuer son rendement énergétique. Figure 4 : Méthodes de contrôle de la génération des cristaux dans le réservoir 4. Choix des échangeurs Les conditions d’équilibre thermodynamique de l’absorbat choisi (l’eau) imposent un fonctionnement du système à basse pression (entre 1 et 10 kPa). Par rapport à un fonctionnement à pression atmosphérique, on observe de fortes évolutions des paramètres physique de ce fluide entre 100°C et 10°C, qui influent sur les conditions d’échange thermique et massique : - La diminution de la pression de saturation affaiblit fortement uploads/Finance/ procede-de-stockage-intersaisonnier-de-chaleur-solaire-pour-le-chauffage-du-batiment-par-procede-a-absorption-libr-h-o.pdf