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Stockage thermique pour centrale solaire thermodynamique ` a concentration mett

Stockage thermique pour centrale solaire thermodynamique ` a concentration mettant en oeuvre des mat´ eriaux naturels ou recycl´ es Jean-Francois Hoﬀmann To cite this version: Jean-Francois Hoﬀmann. Stockage thermique pour centrale solaire thermodynamique ` a concen- tration mettant en oeuvre des mat´ eriaux naturels ou recycl´ es. G´ enie des proc´ ed´ es. Universit´ e de Perpignan, 2015. Fran¸ cais. <NNT : 2015PERP0033>. <tel-01284834> HAL Id: tel-01284834 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01284834 Submitted on 8 Mar 2016 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entiﬁc research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. Délivré par UNIVERSITE DE PERPIGNAN VIA DOMITIA Préparée au sein de l’école doctorale : Energie Environnement ED 305 Et de l’unité de recherche : PROMES-CNRS UPR 8521 Spécialité : Energétique et Génie des Procédés Présentée par Jean-François HOFFMANN Soutenue le 3 décembre 2015 devant le jury composé de L. F. CABEZA, Professeur, GREA, Université de Lleida Rapporteur A. NZIHOU, Professeur, CNRS-RAPSODEE, EMA Rapporteur N. CALVET, Maître de conférences, Masdar Institute Examinateur G. VAITILINGOM, Chargé de recherche HDR, CIRAD Examinateur V. GOETZ, Directeur de recherche, CNRS-PROMES Directeur de thèse X. PY, Professeur, CNRS-PROMES, Université de Perpignan Directeur de thèse C. BOURDIL, Ingénieur chercheur, EDF R&D Chatou Invité G. JEANGROS, Directeur de l’exploitation, Aqylon Invité Stockage thermique pour centrale solaire thermodynamique à concentration mettant en œuvre des matériaux naturels ou recyclés Remerciement : La rédaction de remerciements est un exercice, pas toujours aisé, mais indispensable pour moi afin de remercier l’ensemble des acteurs qui ont participés de près ou de loin à ce travail de thèse. C’est également le moment opportun où je peux vous confier mes sentiments sur cette étape de ma vie qui a débuté en février 2013. En premier lieu, je tiens à remercier toutes les personnes que j’ai côtoyées et que je ne nommerai pas dans ces remerciements, ils se reconnaitront … Vous avez été présents dans les bons moments comme dans les plus difficiles, pour m’aider, me soutenir ou simplement pour discuter. Je n’aurai pas pu réaliser ce travail sans vous et je vous en remercie sincèrement. A vos côtés, chaque obstacle a été moins dur à surmonter ! Monsieur le Professeur Xavier PY, directeur de thèse, je tiens à vous exprimer ma profonde reconnaissance pour la bienveillance et la confiance dont vous avez fait preuve à mon égard en me proposant cette thèse. Vos multiples conseils, toujours très justes, m’ont permis d’apprendre, d’évoluer et de me surpasser tout au long de mes études, de la licence à la thèse. Je pense sincèrement que vous avez participé à me transmettre le virus du stockage de l’énergie. Monsieur le Directeur de Recherche et responsable d’équipe SHPE Vincent GOETZ, directeur de thèse, vous trouverez ici toute ma reconnaissance pour votre grande disponibilité durant ces trois années. Votre sagesse et vos qualités humaines m’ont permis de me canaliser afin d’éviter que je ne me disperse. Je ne vous remercierais jamais assez pour ces nombreuses discussions, votre soutien sans faille et votre confiance. Monsieur Charles BOURDIL, Ingénieur Chercheur à EDF R&D et Monsieur Guillaume JEANGROS, Directeur d’exploitation d’Aqylon, je vous adresse toute ma gratitude et mes remerciements d’avoir accepté de me confier ce travail et également pour vos précieux conseils. Madame le Professeur Luisa CABEZA et Monsieur le Professeur Angel NZIHOU, je vous remercie de m’avoir fait l’honneur d’être mes rapporteurs de thèse. C’est un très grand plaisir pour moi que vous fassiez partis de mon jury de thèse et de constater l’intérêt que vous portez à mes travaux. Je suis honoré de vous compter parmi nous et de bénéficier de votre autorité scientifique. Je vous souhaite par avance une très bonne lecture. Monsieur Gilles VAITILINGOM, Chargé de Recherche, je tiens à vous remercier d’avoir accepté d’être examinateur et membre du jury de ma thèse. J’ai vraiment apprécié travailler avec vous sur la thématique des huiles végétales. Je vous remercie de votre disponibilité et de votre bonne humeur communicative. Monsieur Nicolas CALVET, Maître de conférence, je vous suis reconnaissant de me faire l’honneur d’être examinateur et membre de mon jury de thèse. Vous avez été présent depuis mes premiers pas dans le monde de la recherche. Je vous remercie pour vos conseils et votre soutien durant toutes ces années. Sans votre présence, mon parcours n’aurait pas été le même … Monsieur Thomas FASQUELLE, ingénieur et doctorant, reçoit ici tous mes remerciements pour m’avoir supporté durant ta scolarité et maintenant pendant ta thèse. Je tiens à te remercier pour ton implication dans mon travail de recherche, je suis conscient que cette thèse n’aurait pas eu la même « saveur » si nous n’avions pas travaillé ensemble. Merci ! Merci à mes stagiaires et étudiants PIFE, avec qui j’ai eu le plaisir de travailler durant quelques mois sur des sujets en marge de ma thèse aussi bien à Perpignan qu’à Charleville- Mézières. Je remercie mes collègues et amis « Promessiens » pour les bons moments passés ensemble. Je n’oublierai pas nos nombreuses discussions, nos soirées, mon enterrement de vie de jeune garçon … Tout cela n’est pas finit, le meilleur reste à venir… A tous mes amis et ma famille Mosellane, vous m’avez toujours soutenu et encouragé même si les moments ensembles ont été rares à cause des 1000 km qui nous séparent. Chaque retour aux sources m’a permis de continuer et de ne jamais abandonner. Merci pour tout ! Un grand Merci à ma mère Marcelline, à mon frère Vincent et à ma belle famille, sans qui je n’en serais pas là aujourd’hui. Votre soutien et vos précieux conseils m’ont permis d’avancer et ne m’ont jamais fait défaut. Sarah, je te réserve ces dernières lignes pour te remercier de tout cœur d’avoir été à mes côtés tout au long de cette thèse. Je suis conscient que cela n’a pas été facile tous les jours. Ton amour, ton soutien et ta confiance ont été essentiels pour me soutenir et me prodiguer le courage d’avancer. Décembre 2015 ne sera jamais un mois comme les autres puisque tu donneras naissance à notre fille et c’est pour moi le plus beau des cadeaux. Je te dédie cette thèse, qu’elle soit le gage de mon amour et de ma profonde reconnaissance. Jean-François. Sommaire : Introduction générale ..................................................................................................................... 1 Partie A : Fluide, solide et système de stockage thermique pour les centrales solaires à concentration ................................................................................................................. 7 A.1 Introduction .................................................................................................................................... 7 A.2 Centrales solaires thermodynamiques à concentration................................................. 8 A.2.1 Les centrales cylindro-paraboliques .............................................................................................. 9 A.2.2 Les centrales linéaires Fresnel .......................................................................................................... 9 A.2.3 Les centrales à tour .............................................................................................................................. 10 A.2.4 Les centrales à concentrateur parabolique................................................................................ 11 A.2.5 Comparaisons des différentes centrales solaires à concentration ................................... 12 A.2.6 Limitations des procédés solaires ................................................................................................. 12 A.3 Fluides de transferts innovants – les huiles végétales ................................................. 14 A.3.1 Définition d’une huile végétale ....................................................................................................... 15 A.3.2 Composition des lipides ..................................................................................................................... 15 A.3.2.1 Les Triglycérides ........................................................................................................................................... 16 A.3.2.2 Les acides gras ............................................................................................................................................... 17 A.3.2.3 Les constituants mineurs .......................................................................................................................... 18 A.3.3 Nomenclature des acides gras ......................................................................................................... 18 A.3.4 Exemple de compositions d'huiles végétales ............................................................................ 20 A.3.5 Économie des huiles végétales ........................................................................................................ 21 A.3.6 Domaines d'applications.................................................................................................................... 24 A.4 Système de stockage d’énergie thermique ....................................................................... 27 A.4.1 Intérêt du stockage d'énergie thermique ................................................................................... 27 A.4.2 Méthodes de stockage de l'énergie thermique ......................................................................... 29 A.4.3 Catégories de stockage d’énergie thermique appliquée au CSP ........................................ 32 A.4.4 Stockage thermocline sur lit de roche (DMT) ........................................................................... 33 A.4.4.1 Introduction .................................................................................................................................................... 33 A.4.4.2 Principe de fonctionnement .................................................................................................................... 36 A.4.4.3 Approche économique ............................................................................................................................... 38 A.4.4.4 Retour d’expérience sur le stockage thermocline .......................................................................... 40 A.4.4.5 Modélisation d’un stockage thermocline sur lit de roche ........................................................... 42 A.4.4.6 Constats préalables ...................................................................................................................................... 44 A.5 Matériaux de stockage ............................................................................................................. 49 A.5.1 Roches naturelles .................................................................................................................................. 50 A.5.1.1 Les roches ignées .......................................................................................................................................... 51 A.5.1.2 Les roches métamorphiques ................................................................................................................... 52 A.5.1.3 Les roches sédimentaires .......................................................................................................................... 53 A.5.1.4 Propriétés des roches naturelles ........................................................................................................... 53 A.5.1.5 Sélection des matériaux naturels .......................................................................................................... 55 A.5.2 Matériaux issus de coproduits ou de déchets ........................................................................... 56 A.5.2.1 Procédé sidérurgique .................................................................................................................................. 58 A.5.2.2 Laitier de sidérurgie .................................................................................................................................... 60 A.5.2.3 Laitier de cubilot ........................................................................................................................................... 60 A.6 Objectifs de l’étude .................................................................................................................... 63 Partie B : Composants du système de stockage d’énergie, en la qualité du fluide de transfert et des matériaux de stockage ........................................................................... 65 B.1 Introduction ................................................................................................................................. 65 B.2 Fluide de transfert ..................................................................................................................... 66 B.2.1 Les huiles végétales, un fluide de transfert innovant ? ......................................................... 66 B.2.2 Identification des candidats ............................................................................................................. 69 B.2.3 Propriétés thermiques et thermophysiques des huiles végétales ................................... 71 B.2.3.1 Conductivité thermique ............................................................................................................................. 73 B.2.3.2 Chaleur spécifique ........................................................................................................................................ 76 B.2.3.3 Viscosité dynamique ................................................................................................................................... 80 B.2.3.4 Masse volumique .......................................................................................................................................... 82 B.2.3.5 Corrélations des propriétés des huiles végétales ........................................................................... 85 B.2.3.5.1 Conductivité thermique ....................................................................................................................... uploads/Geographie/ these-hoffmann-jean-francois-2015.pdf