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Optimisation multicritère des performances exergétique, environnementale et économique d’un stockage thermique de type thermocline en fonction des taux de cut-off en charge et en décharge

Diane Le Roux^1, ⋆, Pierre Neveu², Régis Olivès¹
^⋆ : diane.leroux@promes.cnrs.fr
¹ PROMES - CNRS (UPR 8521) - UPVD
² Université de Perpignan Via Domitia (UPVD)
Mots clés : Stockage sensible de la chaleur, thermocline, chaleur fatale, analyse du cycle de vie, coût actualisé de l’énergie, exergie, taux de cut-off, optimisation multi-objectif
Résumé :

Récemment, les stockages thermiques de type thermocline ont été considérés comme une alternative prometteuse au stockage de la chaleur, notamment pour valoriser les chaleurs fatales. Dans un tel stockage sensible, un fluide caloporteur circule à travers un lit de solides de garnissage. Pendant la phase de charge, le fluide chaud est injecté par le haut du réservoir, transmet sa chaleur aux solides et est extrait froid par le bas. Trois zones distinctes apparaissent : deux à températures quasi-uniformes (l’une chaude et l’autre froide) séparées par une zone à fort gradient, appelée thermocline. Durant la décharge, le sens d’écoulement du fluide est inversé. Les périodes de charge et de décharge sont stoppées lorsque le fluide extrait atteint une température seuil. Ces températures de cut-off correspondent à un compromis entre la capacité énergétique du stockage et les niveaux acceptables des températures de sortie pour les procédés amont et aval. T_{cutoff_ch} = T_L + x.(T_H−T_L), T_{cutoff_dech} = T_H − x.(T_H−T_L), où T_H et T_L sont les températures opérationnelles du stockage, et x le pourcentage de cut-off (0<x<1).

Le stockage thermocline considéré est une unité industrielle à haute température (Eco-Stock), développée et commercialisée par Eco-Tech Ceram. Il fonctionne avec un lit air/bauxite. L’objectif de cette étude est d’optimiser ce système sur trois critères - efficacité exergétique, impacts environnementaux, coût actualisé de l’énergie (Levelized Cost Of Energy, LCOE) - selon différents taux de cut-off (entre 20 et 90 % en charge et décharge). Pour décrire le comportement thermique du réservoir, six paramètres de conception, définis par le cahier des charges, et deux variables d’optimisation adimensionnelles sont utilisés. Ces dernières sont liées à la géométrie du réservoir et la granulométrie des particules. Un modèle dynamique à une dimension et deux équations, une pour le fluide et une pour le solide, est choisi. Pour évaluer les impacts environnementaux, une Analyse du Cycle de Vie est réalisée sur la cuve Eco-Stock® dont l’unité fonctionnelle est définie par : « Restituer une exergie égale à celle de la cuve de référence, pendant sa durée de vie (25 ans) en considérant un cycle par jour et 15 jours de repos par an ». Une analyse des coûts du cycle de vie permet de déterminer différents indicateurs économiques, comme la Valeur Actualisée Nette (VAN), qui est la somme des flux financiers ramenés à la valeur qu’ils auraient potentiellement en début de projet. Le LCOE correspond au prix de vente de l’énergie qui annule la VAN. Les optimisations exergétiques présentent une cuve très effilée et un faible diamètre de particules, alors que les optimisations environnementales et économiques conduisent à des cuves trapues avec des diamètres de particules supérieurs au centimètre. Lorsque les taux de cut-off augmentent, les géométries de cuve restent similaires. La seule différence concerne les diamètres de particules qui restent faibles pour l’optimisation exergétique mais augmentent sensiblement pour l’optimisation environnementale. Quel que soit le taux de cut-off, l’optimisation économique est choisie comme solution multicritère, à l’aide de la méthode TOPSIS. L’efficacité exergétique est réduite lorsque le taux de cut-off augmente, alors que les impacts environnementaux et le LCOE diminuent.