Stockage thermique pour les centrales solaires

Formation CSP

Ouarzazate

Mai 2016

Gilles Flamant et Cyril Caliot

PROMES-CNRS

Gilles.flamant@promes.cnrs.fr

Cyril.caliot@promes.cnrs.fr

Sommaire

STOCKAGE THERMIQUE

• Indicateurs

• Typologie des stockages thermiques associés aux centrales solaires

• Technologies industrielles

• Echangeurs de chaleur

• Stockage par thermocline

• Recherche et développement

1

Contexte

2

INDICATEURS

3

Indicateurs

Capacité de stockage (kWh) définie la durée du stockage. Pour un stockage par chaleur sensible:

Qsto = mCpΔT (kJ or kWh)

avec m = masse du matériau (ou fluide), Cp chaleur spécifique et ΔT différence de température entre réservoirs chaud et froid

Pour les cylindro-parabolique, ΔT ≈ 90°C (sel fondu) pour une centrale à tour ΔT ≈ 270°C, en conséquence il faut 3 fois moins de matière pour stocker 1 kWh

La puissance extraite et la température de restitution

4

Indicateurs

Le stockage thermique permet d’augmenter le facteur de charge de la centrale. Facteur de charge = Production annuelle de la centrale / Production de cette centrale si elle fonctionnait 24h/24 à la puissance nominale (4000h ≈ facteur de charge de 45%)

La charge du stockage thermique nécessite l’accroissement de la surface du système de concentration → multiple solaire Multiple = Taille du champ solaire avec stockage / Taille du champ solaire sans stockage (pour la même puissance nominale)

5

Multiple solaire

Surface d’héliostats sans

stockage

Surface A1

Surface d’héliostats

avec stockage

Surface A2

Multiple solaire:

SM ≈ A2/A1

SM = P2/P1

6

Multiple solaire

After Turchi et al., NREL report, 2010 7

Coût/Multiple solaire

After J. Jorgenson, M Denholm, M. Mehos, G. Turchi, NREL Tech Report, 2013 8

TYPOLOGIE DES MODES DE STOCKAGE

9

• Stockage actif : utilise un fluide comme élément de stockage

• Stockage passif : utilise un solide ou un matériau à changement de phase comme élément de stockage

• Stockage direct : le fluide de stockage est le même que le fluide de transfert

• Stockage indirect : un échangeur de chaleur est interposé entre le fluide de transfert et le stockage

Définitions

10

Stockage direct

Accumulateur de vapeur (Cas de PS10 et PS20)

11

Stockage direct

Stockage 2 cuves (Cas des centrales à tour à sel fondu)

12

Stockage direct

Stockage thermocline

13

Stockage indirect

Accumulateur de vapeur

14

Stockage indirect

Stockage 2 cuves (cas des centrales CP avec stockage sel fondu)

15

Stockage indirect

Stockage par thermocline

16

Stockage indirect

Stockage sur solide (Cas du stockage sur béton)

17

Stockage indirect

Stockage sur matériau à changement de phase 18

Stockage indirect

Stockage par système thermochimique solide-gaz 19

Technologies industrielles

20

Technologies industrielles

Seulement 2 technologies sont disponibles industriellement:

Les accumulateurs de vapeur

Les sels fondus avec 2 réservoirs de stockage (chaud et froid)

21

Technologies industrielles

Accumulateurs de vapeur

Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014

PS10 et PS20

Vapeur saturée à 250 ºC

50 min de stockage à 50% de la

puissance

Source: Abengoa Solar

22

Technologies industrielles

Accumulateurs de vapeur

PS10

Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014 23

Technologies industrielles

Sel fondu, 2 réservoirs

Andasol (50 MW)

Capacité de stockage :

1010 MWh (7.7h)

Facteur de charge ≈ 45%

Nitrate

(60% NaNO3 + 40% KNO3)

Poids de sel : 28.500 t

Volume des réservoirs : 14.000 m³

6 échangeurs HTF/sel

Chaud : 385°C / Froid 294°C Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014 24

Technologies industrielles

Stockage indirect, sel

fondu, 2 réservoirs Centrale cylindro-parabolique

25

Technologies industrielles

Echangeurs de chaleur (centrale CP)

Source: Scientific American 2012

Stockage indirect, sel

fondu, 2 réservoirs

26

Technologies industrielles

Stockage direct, sel

fondu, 2 réservoirs Centrale à tour (Gemasolar) 15h de stockage, 20 MW

Facteur de charge: 74%

Poids de sel: ≈ 7000 t

27

Echangeurs de chaleur

28

Configurations

Co-courant Contre-courant

Courant croisé

29

Technologie

Echangeur tube-calandre à contre courant

30

Dimensionnement

31

Dimensionnement

Indice i=interne, indice 0=externe

A surface d’échange

h coefficient d’échange

D diamètre

K conductivité thermique paroi

L longueur

R’’ résistance de contact due à

l’encrassement

32

Stockage par thermocline

33

Principe

Une seule cuve au lieu de deux (stockage conventionnel)

« Piston thermique »

Il existe un front (le thermocline) d’épaisseur variable

TH

TB

34

Principe

Evolution de la température durant la charge

35

Utilisation d’une seule cuve de stockage

Utilisation de matériaux de stockage bon marché (solide) comme garnissage (« filler »)

Gain d’environ 35% sur le coût total

La stratification se dégrade au cours du temps ce qui diminue la capacité de stockage

Gestion plus complexe du stockage

Avantages / Inconvénients

36

Modélisation

Thermocline avec garnissage solide

• Les modèles 1D semblent être suffisants pour décrire l’évolution du système

• On suppose qu’il n’y a pas de gradient dans les éléments (billes, briques …) du garnissage:

Bi = hf-sd/λs < 1

• Modèles avec ou sans pertes aux parois

37

Modèle simple

Modèle piston / bilan sur épaisseur dz /

Pas de pertes aux parois et pas de conduction

Fluide:

ερfCpf(∂Tf/∂t + uf ∂Tf/∂z) = hconv.f-s(Ts – Tf)

Solide:

(1-ε)ρsCps∂Ts/∂t = hconv.f-s(Tf – Ts)

ε est la porosité, hconv.f-s est le coefficient d’échange volumique fluide-solide (W/m3K), hconv.f-s = 6h(1-ε)φ/d avec φ facteur de forme et h coefficient d’échange fluide solide (W/m2K)

Pacheco et al. J. of Solar Energy Engineering, 2002, vol 134, 153 38

Modèle simple

Validation avec un module de 2,3 MWh, hauteur 6,1 m diamètre 3 m avec sel fondu (HITEC XL)

Garnissage : quartzite (50 tonnes) + sable (22 tonnes)

modèle

Pacheco et al. J. of Solar Energy Engineering, 2002, vol 134, 153 39

Modèle simple

Expérience

Pacheco et al. J. of Solar Energy Engineering, 2002, vol 134, 153 40

Economie

Pacheco et al. J. of Solar Energy Engineering, 2002, vol 134, 153 41

Modèle 2D

Xu C. et al. Applied Energy (2012), 92, 65-75 42

Indicateur de performance

Xu C. et al. Applied Energy (2012), 92, 65-75

Rendement effectif de décharge:

ηeff = 0∫tdQfCpf(Tfs–Tfe)dt / Energie totale stockée initialement dans la thermocline

td représente le temps auquel la température de sortie est inférieure à une valeur critique

(dépend d la turbine)

Résultat pour

un écart de

20°C

43

Modèle avec pertes

Modèle piston / bilan sur épaisseur dz /

Avec pertes aux parois et conduction

1 − 𝜀 ⋅ ρs ⋅ 𝐶𝑝𝑠 ⋅𝜕𝑇𝑠𝜕𝑡

= 𝑘𝑠 ⋅𝜕2𝑇𝑠𝜕𝑧2

+ ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 ,𝑓↔𝑠 ⋅ 𝑇𝑓 − 𝑇𝑠 + ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 ,𝑠↔𝑤 ⋅𝑆𝑠↔w

𝑉𝑓 + 𝑉𝑠⋅ 𝑇𝑤 − 𝑇𝑠

ρ𝑤 ⋅ 𝐶𝑝𝑤 ⋅

𝜕𝑇𝑤𝜕𝑡

= 𝑘𝑤 ⋅𝜕2𝑇𝑤𝜕𝑧2

+ ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 ,𝑓↔𝑤 ⋅𝑆𝑓↔w

𝑉𝑤⋅ 𝑇𝑓 − 𝑇𝑤 + ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 ,𝑠↔𝑤 ⋅

𝑆𝑠↔w

𝑉𝑤⋅ 𝑇𝑠 − 𝑇𝑤 +

𝑇𝑒𝑥𝑡 − 𝑇𝑤

𝑉𝑤 ⋅ 𝑅𝑡ℎ

Fluide

Solide

Paroi

𝜀 ⋅ ρf ⋅ 𝐶𝑝𝑓 ⋅ 𝜕𝑇𝑓

𝜕𝑡+ 𝑢𝑓 ⋅

𝜕𝑇𝑓

𝜕𝑧 = 𝑘𝑓 ⋅

𝜕2𝑇𝑓

𝜕𝑧2+ ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 ,𝑓↔𝑠 ⋅ 𝑇𝑠 − 𝑇𝑓 + ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 ,𝑓↔𝑤 ⋅

𝑆𝑓↔w

𝑉𝑓 + 𝑉𝑠⋅ 𝑇𝑤 − 𝑇𝑓

*

*

*

J. F. Hoffmann, T. Fasquelle, V. Goetz, X. Py, A thermocline thermal energy storage system with filler materials for

concentrated solar power plants: Experimental data and numerical model sensitivity to different experimental tank scales,

Applied Thermal Engineering, February 2016

44

Validation Boucle solaire pilote

de PROMES-CNRS

Réchauffeur électrique (70 kW) et

collecteurs cylindro-paraboliques (130

kW)

Stockage 2 cuves (1 m3 chacune, 45 kWh)

Stockage thermocline (4 m3, 220 kWh)

Préchauffeur

Vaporiseur

Surchauffeur de vapeur

ORC 15 kW électrique

max

Refroidissement

atmosphérique

Validation Boucle solaire pilote

de PROMES-CNRS

46

Validation Boucle solaire pilote

de PROMES-CNRS

Boucle solaire ou boucle huile,

T = 20~220°C/300°C P = 1 bar

Boucle de génération de vapeur

T = 20~80°C/250°C P = de 5 à 15 bar

Boucle de refroidissement T = 20°C/80°C

P = 1 bar

Huile Jarytherm®

DBT de Arkema

Eau déminéralisée

3M Novec 649

Eau glycolée

4 boucles -> 4 fluides Boucle ORC ENOGIA T = 20°C / 90~160°C

47

Validation Boucle solaire pilote

de PROMES-CNRS

Diamètre du lit de roche 1,2 m

Diamètre du lit de roche 1,27 m

H. Volume tampon : 0,3

m

H. Volume tampon : 0,232 m

H. Lit de roche : 2,64 m

Cuve thermocline

Actuellement garnissage = billes d’alumine

48

Validation Boucle solaire pilote

de PROMES-CNRS

Température de sortie et hauteur de thermocline pendant une charge

Premiers résultats 49

Validation Boucle solaire pilote

de PROMES-CNRS

Température de sortie et hauteur de thermocline pendant une décharge

20 %

du ΔT

Premiers résultats 50

Recherche et développement

51

Nécessaires innovations

Storage

system

Une solution unique ne peut pas répondre à tous ces besoins

Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014 52

Recherche et développement

Chaleur Sensible 20 – 100 kWh/m³

(dépend de l‘écart de température)

Chaleur Latente 50 – 150 kWh/m³

(restitution à T constante)

Thermochimique 100 – 400 kWh/m³

(dépend du gradient moteur (température

or pression))

Densité d‘énergie Etat de

développement

[kWh/m3]

Faible Fort

Fort Faible

Modes de stockage thermique

Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014 53

Recherche et développement

Matériaux et concepts alternatifs développés au stade

laboratoire et pilote

Réservoir unique avec remplissage solide (thermocline)

Solide très peu coûteux (béton, matériaux recyclés ou

naturel)

Matériaux à changement de phase (PCM)

combinaison stockage sensible et PCM

Céramique HT (solide/air)

Réaction réversibles

54

Recherche et développement

Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014

Stockage sur béton

Sola

rko

llekt

ore

n

DampfkreislaufSpeichersystem

Sola

rko

llekt

ore

n

DampfkreislaufSpeichersystemStorage system

Power block

Colle

cto

r field

Source: DLR

55

Recherche et développement

Stockage sur béton • Pilote de 400 kWh en

fonctionnement depuis mai 2008

• Capacité de stockage: 0.65 kWh/(m3·K)

• ≈ 10,000h de fonctionnement

• Pas de signes de dégardation du matériau

01 05 10 15 20 25 2680

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

Temperature and Flow 01.11 - 26.11.2008

Time in days

Te

mp

era

ture

in

°C

01 05 10 15 20 25 26

-20

0

20

Flo

w in

m³/

h

Oil temperature "hot" sideOil temperature "cold" side

Flow

2nd Generation Pilot Storage built 2008 by Source: DLR

Source: ZÜBIN

Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014 56

Recherche et développement Matériaux recyclés

Source: X Py, PROMES

Opération de désamiantage Coulée

Vitrification

Plasma torche

à 1400°C

En France

250 000

tonnes/an

8 euros/tonne

Cofalit (inerte)

Céramiques

Matériaux Céramiques HT Sels fondus Cofalit

r×Cp

[kJ/(m3×K)]

3 030 1 300 à 3 900 2 680

l [W/(m×K)] 1.35 0.2 2

prix

[euros/tonne]

4500 500-700 8

57

Recherche et développement

Matériaux à changement

de phase

Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014

Evaporation 65%

Preheating 16%

Super-

heating

19%

260 ºC – 400 ºC

107 bar

58

Recherche et développement

Matériaux à changement

de phase

0

50

100

150

200

250

300

350

400

100 150 200 250 300 350

Temperature [°C]

En

thalp

y[J

/g]

KNO3

NaNO3

NaNO2

KNO3-NaNO3

LiNO3-NaNO3

KNO3-LiNO3

KNO3-NaNO2-NaNO3

LiNO3

0

50

100

150

200

250

300

350

400

100 150 200 250 300 350

Temperature [°C]

En

thalp

y[J

/g]

KNO3

NaNO3

NaNO2

KNO3-NaNO3

LiNO3-NaNO3

KNO3-LiNO3

KNO3-NaNO2-NaNO3

LiNO3

Inorganic Compounds Melting

Point (ºC)

Heat of

Fusion

(kJ/kg)

Density

(kg/m3)

LiNO3-NaNO3 195 NA NA

KNO3/NaNO3 eutetic 223 105 NA

NaNO3 307/308 74 2260/2257

65.2%NaOH-20%NaCl

14.8%Na2CO3

318 290 2000

KNO3 333/336 266/116 2110

KOH 380 149.7 2044

MgCl2/KCl/NaCl 380 400 1800

Na2CO3-BaCO3/MgO 500-850 NA 2600

Li2CO3 618 NA 2091

Zn-Cu Alloys [f(% Zn)] 400-750 180-250 7000-7800

MgCl2 714 542 2140

Na2CO3 854 275.7 2533

K2CO3 897 235.8 2290

59

Recherche et développement

Matériaux à changement

de phase

Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014

solid

liquid

Fluid

solid

liquid

Fluid

Heat carrier: water/steam

Phase Change Material (PCM)

Tube

Fins

Simplified PCM-storage concept

Finned Tube Design

effective Lamda > 10 W/mK

Problème : faible conductivité → puissance faible

60

Recherche et développement

Matériaux à changement de phase : démonstrateur

Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014

• Evaporateur PCM:

NaNO3

• T fusion : 306 °C

• Volume de sel : 8.4 m³

• Hauteur totale: 7.5 m

• Poids ~ 14 t

• Capacité~ 700 kWh

Tests en 2010 / 2011

(2949 h, 95 cycles)

La démonstration à l’échelle

la plus grande jusqu’à

présent

61

Recherche et développement

Thermochimique

Source : C. Richter, DLR, conf. Ac Sci, Rabat 2014

Exemple:

Reaction: Ca(OH)2 ↔ CaO + H2O

Teq[1 bar]

ºC

ΔH [1 bar]

kJ/mol

Capacity*

Solid only

kWh/m3

Capacity*

All reactants

kWh/m3

Capacity

Gravimetric

kWh/t

521 100 410 323 373

62

Conclusion

• Il existe des solutions de stockage thermique massif

pour le solaire thermodynamique (≈ 3 GWht) mais elles

sont très peu nombreuses

• Le stockage par thermocline permettrait une réduction

des coûts de l’ordre de 1/3 mais les pertes dues à la

dégradation de la stratification doivent être réduites et des

protocoles de gestion sont nécessaires

• Des alternatives sont au stade du développement

63

Merci de votre attention

64