Intégration d'un procédé de Stockage Thermochimique à un cycle de Rankine, sous Energie Solaire concentrée – In-STORES

La filière solaire thermodynamique sous concentration (CSP) est vouée à prendre une part significative dans les divers scénarios de réduction des émissions de GES. Cette filière CSP présente l’avantage considérable, par rapport aux autres énergies intermittentes, de pouvoir intégrer une fonction stockage qui permet de décaler la production électrique vers des périodes à fort intérêt environnemental ou économique. Pour cela un stockage thermique à haute température doit être inséré entre le récepteur solaire et le cycle de Rankine. Face aux limites des systèmes existants (chaleur sensible ou latente), les procédés de stockage thermochimique constituent des solutions innovantes et prometteuses, encore à l’état de recherche. Les procédés thermochimiques basés sur des réactions solide/gaz renversables sont particulièrement pertinents par leur forte densité énergétique effective (jusqu’à 400 kWh/m3) et températures opératoires (jusqu’à 1000°C), selon les réactifs.

Le cœur de ce projet est l’étude de l’intégration d’un tel procédé thermochimique dans une installation CSP, par une démarche qui vise l’optimisation globale des performances de la centrale intégrant ce stockage. Pour cela, le projet s’articule autour des points clé suivants :

1) les concepts de couplage entre le stockage thermique et la centrale : l’objectif est d’intensifier les transferts entre le réacteur thermochimique et le cycle vapeur. Les modes de couplage seront analysés de manière exhaustive puis simulés. L’intégration la plus poussée possible du stockage au cycle à vapeur sera recherchée. On analysera l’impact sur le dimensionnement, le fonctionnement, et les performances de chaque composant, mais aussi de l’installation solaire thermodynamique globalement.

2) le réacteur thermochimique : il réalisera un stockage thermique adapté à la filière CSP selon plusieurs critères : température opératoire, densité énergétique, énergie stockée, puissance restituée... Un réacteur de forte compacité, donc à lit fixe, sera choisi. A l’aide d’un modèle local, on simulera et optimisera les configurations de diffusion de gaz et de chaleur, ainsi que la mise en œuvre du réactif (en composite avec un liant) réalisant le meilleur compromis en cinétique et transferts de masse et chaleur, selon les critères ci-dessus.

3) une expérimentation sur pilote de laboratoire : elle couplera un réacteur de configuration optimisée et un cycle à vapeur complet, selon le concept performant sélectionné à l’issue du point 1. On analysera le fonctionnement et les performances des composants, et les performances globales de l’ensemble. Une attention particulière sera portée aux aspects dynamiques liés à plusieurs causes : variabilité de la source solaire, phases intermédiaires de mise en route du réacteur thermochimique, variation de la vitesse de réaction.

4) les scénarios de stockage/production pour CSP : ils vont de la production d’hyper-pointe (quelques heures par jour) à la production en base (sur 24h) et diffèrent fortement en dimensionnement, investissements, tarifs de vente de l’électricité produite, critères environnementaux… Un modèle global d’installation solaire intégrant un stockage thermochimique permettra de réaliser une optimisation économique par une approche globale couplant dimensionnement du système et scénarios de stockage/ production. Plusieurs applications sont envisagées : centrale de grande taille, installation couplée à un smart-grid, installation isolée.

5) l’impact du stockage thermochimique sur la filière CSP: en parallèle avec les scénarios, on étudiera l’extrapolation du réacteur à grande échelle, en recherchant une taille de module et un procédé de fabrication adéquat optimisant le coût du réacteur. Ces configurations seront simulées grâce à l’outil développé au point 2. De plus, une analyse en cycle de vie permettra d’orienter le choix de la configuration afin de réduire les impacts environnementaux.