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Stage Ingénieur/Master en 2014 au CEA Grenoble. Stockage de chaleur pour centra

Stage Ingénieur/Master en 2014 au CEA Grenoble. Stockage de chaleur pour centrale solaire à concentration : Conception d’un réservoir thermocline de grande capacité Contact : Raphael Couturier, CEA-Grenoble, raphael.couturier@cea.fr Contexte : Le stockage de chaleur est d’actualité pour de nombreux développements dans le domaine de l’énergie : la production d’électricité par des centrales solaires thermodynamiques ou le stockage d’électricité en sont des exemples concrets. Pour une centrale solaire, le stockage direct de la chaleur en sortie du champ solaire est très adapté et permet de mieux gérer la production dans le temps (stabilité, durée ou ajustement à la demande). Pour assurer cette fonction de stockage de chaleur, différents systèmes de stockage peuvent être envisagés en fonction des phénomènes physiques mis en jeu : stockage par chaleur sensible (solide ou liquide), stockage par chaleur latente, stockage thermochimique. Problématique du stockage « thermocline » par chaleur sensible Le CEA développe depuis plusieurs années un système de stockage sensible dont le principe est de stocker la chaleur dans un réservoir unique nommé « thermocline ». Ce type de stockage est basé sur la création dans le réservoir d’une zone chaude, d’une zone froide et d’une zone intermédiaire de faible étendue appelée « thermocline ». Outre l’avantage du réservoir unique (à l’inverse des systèmes avec 2 réservoirs remplis alternativement de fluide chaud et froid), le stockage thermocline réduit de 75% la quantité de fluide thermique nécessaire au profit d’un matériau de remplissage peu onéreux (roche). Le stockage de chaleur est donc effectué à la fois dans le fluide caloporteur et dans un lit de roches. Le lit de roches améliore de plus la ségrégation du fluide chaud et du fluide froid en diminuant les effets de remélange au sein du réservoir. Le fluide caloporteur est introduit par le haut du réservoir lors de phases de stockage et par le bas du réservoir lors des phases de déstockage. L’objectif est de créer un « piston thermique », c'est-à-dire l’avancée d’un front thermique le plus mince possible et uniforme transversalement. Cela permet de maintenir des températures constantes en sortie de réservoir lors des phases de charge et de décharge, ce qui est crucial pour le couplage à l’organe de conversion électrique de la centrale solaire. Les réservoirs « thermocline » sont soumis au phénomène du « thermal ratcheting » : lors des phases de chauffe (~300°C), la cuve se dilate et le lit de roche « descend » pour occuper l’espace libéré. Lors des phases de refroidissement, la cuve se contracte et se retrouve contrainte par le lit de roches tassé. Le dimensionnement d’une cuve doit donc trouver un équilibre entre la tenue mécanique liée au « thermal ratchteting » qui oriente vers des géométries plutôt plates afin de diminuer le rapport H/D et l’hydraulique qui oriente vers des géométries de type cigare afin de favoriser une distribution homogène de fluide caloporteur et de garder un piston thermique mince et transversalement uniforme. Objectifs du stage Le CEA a construit et exploite des réservoirs prototypes de stockage de petite taille (~3 et 30 m3) pour lesquels cette problématique a pu être « écartée » par un design de l’intérieur des cuves difficilement extrapolable à une centrale de taille industrielle. Pour les futurs réservoirs couplés à des centrales solaires de taille significative (~10 MWe, stockage de ~ 200 MW.hth), le CEA souhaite à travers ce stage : - Déterminer si cet effet est réellement dimensionnant pour la paroi métallique de la cuve. - Imaginer une conception des structures internes de la cuve qui permette de s’en affranchir à moindre cout tout en respectant les critères de distribution hydraulique du fluide caloporteur. - Proposer des géométries de cuve permettant de gérer/diminuer le phénomène de thermal ratcheting. Le stage comportera donc les actions suivantes : - Bilan de la bibliographie et des premiers travaux du CEA sur le dimensionnement des réservoirs thermoclines et leur mode de réalisation (nuances d’aciers, épaisseurs…), identification des moyens numériques permettant de modéliser le phénomène (Modélisation par Eléments Discrets). - Calculs du comportement de la paroi d’une cuve de stockage soumise à la pression interne du lit de roche et au passage du front thermique. - Conception des internes de cuve et des distributeurs fluidiques adaptés. - Proposition d’essais expérimentaux qui pourraient permettre de quantifier le phénomène. Compétences principales demandées : conception mécanique, transferts thermiques, énergétique. Conditions du stage : à partir de mars 2014, 6 mois, rémunération selon grille CEA. uploads/Litterature/ cea-stage-thermo-pdf.pdf