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BE-SOL
Réunion Arlon/ULg 2017 09 20
1
Ordre du jour des présentations
10h00 à 10h10 : présentation du projet : Objectifs/Tâches principales/Acteurs
10h10-10h40 : les matériaux de stockage (MF)
Choix de la technologie d’adsorption : motivations et avantages
Choix des conditions de fonctionnement
Choix des matériaux
Résultats
10h40-11h10 : le processus d’utilisation des matériaux
Design des réacteurs
Intégration dans système Ouvert/Fermé
Présentation de différents types de réacteurs
Système de transfert entre stock MP et réacteurs
Résultats des essais
11h10-11h30
Intégration dans système
Résultats de simulation de systèmes
11h30-11h 40
Aspect technico-économiques et perspectives au-delà de Sotherco
11h40-12h00
Questions/réponses
12h00-12h30
Visite labo expérimental Sotherco
BE-SOL
Réunion Arlon/ULg 2017 09 20
2
Objectifs du projet Sotherco : projet européen FP7: www.sotherco.eu
Concevoir, construire et réaliser les tests de stockage thermique inter saisonnier pour le
chauffage de bâtiments
1. Choisir les types de réactions thermochimiques
2. Etudier et choisir les matériaux de stockage
3. Etudier et établir les caractéristiques des matériaux
4. Concevoir et tester par itération successives les types réacteurs mettant en œuvre les
matériaux et processus de réaction
5. Etudier les systèmes complets , réacteurs/échangeurs/circuits
aérauliques/régulateur/… à intégrer dans les systèmes de chauffage
6. Modéliser ces systèmes
7. Tester le systèmes en environnement de laboratoire par émulation des conditions
d’utilisation.
8. Réaliser une analyse technico-économique des résultats du projet pour tracer une
road-map afin d’amener les résultats au stade actuel TRL5-6 au niveaux de TRL 8-9
BE-SOL
Réunion Arlon/ULg 2017 09 20
Be-Sol (Bureaux d'Études Solaires)
Rue de la griotte, 2A
5580 Rochefort
BELGIUM
Phone : +32 84 38 88 63
Homepage : www.be-sol.eu
CEA/INES (Institut National de l'Énergie
Solaire)
50 avenue du lac Léman - Technopôle Savoie
Techno lac
73375 Le Bourget du Lac Cedex
FRANCE
Phone : +33 4 79 79 20 00
Homepage : www.ines-solaire.org
Université de Mons - ENERGY Institute
20, place du Parc
B7000 Mons
BELGIUM
Phone : +32 65 37 31 11
Homepage :
www.umons.ac.be/energie
ULB (Université Libre de Bruxelles) - 4MAT
4MAT (CP 165/63)
Avenue F.D. Roosevelt, 50
1050 Bruxelles
BELGIUM
Phone : +32 2 650 29 52
Homepage : 4mat.ulb.ac.be
AIT (Austrian Institute of Technology)
Donau-City-Straße 1
1220 Vienna
AUSTRIA
Phone : +43 50550 0
Homepage : www.ait.ac.at
ULg (Université de Liège) - BEMS
Avenue de Longwy, 185
6700 ARLON
BELGIUM
Phone : +32 63 230 853
Homepage : www.bems.ulg.ac.be
UVSQ (Université de Versailles Saint-
Quentin-en-Yvelines)
55 avenue de Paris
78035 Versailles
FRANCE
Phone : +33 1 39 25 78 00
Homepage : www.uvsq.fr
CLIPSOL (Groupe GDF SUEZ/Engie)
PAE Les Combaruches
73100 Aix-les-Bains
FRANCE
Phone : +33 4 79 34 35 36
Homepage : www.clipsol.com
3
Les partenaires du projet SOTHERCO
Les matériaux de stockage
1
2
Principes théoriques
Effet thermique réalisé par une réaction physique ou chimique réversible :
AB A+B
A+B AB
• A et AB sont des solides
• B = vapeur d’eau
Réaction caractérisée par :
• Chaleur de réaction Q :
kJ/kg d’eau
• Masse volumique du
solide : r
Densité énergétique =
Q*masse d’eau transférée
par kg de solide*r :
• Masse volumique
• Q
• Masse d’eau transférée
3
Principes théoriques
Réactions chimiques
SrBr2.1H2O+5H2O SrBr2.6H2O
• Masse d’eau transférée = stœchiométrie
• Chaleur de réaction élevée
• Possibilité d’obtenir des densités énergétiques élevées (qq centaines kWh/m3)
• Peu stables
RéactionLn P
-1/TTseuil
SrBr2.1H2O+5H2O
SrBr2.6H2O
4
Principes théoriques
Réactions physiques
Matériau poreux + H2O Matériau poreux chargé en eau
• Masse d’eau transférée souvent faible
• Chaleur de réaction faible
• Densités énergétiques faibles ( 1 centaine kWh/m3)
• Stables
m= masse d’eau par unité
de masse de matériau
m1>m2>m3
désorption
RéactionLn P
-1/T
Matériau poreux
chargé en eau
Matériau poreux+H2O
m1 m2 m3
Objectifs du projet SOTHERCO
Développement de matériaux composites (utilisation rapide)
• Sel hygroscopique intégré dans une matrice poreuse (stabilisation)
• Haut taux de sel >< Stabilité
• Synthèse, caractérisation structurale, caractérisation énergétique
• Sels: SrBr2, MgCl2, CaCl2, MgSO4,SrCl2
• Matrice poreuse : Gel de silice (essentiellement)
Développement de matériaux composites et de matériaux poreux innovants (candidats
futurs)
• MOFs: Metal Organic Framework comme matériaux poreux ou comme matrice
poreuse (CaCl2, SrBr2)
Densité énergétique cible : > 150 kWh/m3
5
6
Résultats
Matériaux
BET SEM-EDX XRF IR TGA XRD
Thermo-
XRD
Bulk
densit
y
Grain
size
distrib
ution
cp
Efficien
cy test
water
sorpti
on
isothe
rms
stabilit
y
under
cycles
Test
on
mM
large
scale
produc
tion
silica gel/CaCl2 40% (SG100, SG62,
SGSanpont)
x x x x x x x x x x x x x x x
silica gel/CaCl2 26% (SG100) x x x x x x x
SG100 /MgCl2 38.48% x x
SG100 /MgCl2 33.18% x x
SG100/MgCl2.2H2O 39.38% x x
activated carbon/CaCl2 32% x x x x x
silica gel SG62/MgSO4 33% x x
silica gel SG62/MgSO4 51.6% x x
silica gel SG62/MgCl2.2H2O 44.47% x x x x x x x x x x x x x x
silica gel SG62/SrBr2 58% x x x x x x x x x x x x x x
silica gel SG100/SrCl2 42.72% x x
silica gel SG100/SrBr2 48% x x x x x x x
• Composites pour application rapide :
7
Résultats
• Gel de silice-CaCl2 (40%)
0,36 geau/gsolide
Densité énergétique de l’ordre de
200 kWh/m3
30°C-80°C
1250 Pa
8
Résultats
• Gel de silice-SrBr2 (58%)
0,22 geau/gsolide
Densité énergétique de l’ordre de
200 kWh/m3
30°C-80°C
1250 Pa
9
Résultats
• Composites et matériaux poreux innovants :
Matériaux
BET
SEM-
EDX
XRF IR TGA XRD
Thermo-
XRD
Bulk density
Grain size
distribution
cp
Efficiency
test
water
sorption
isotherms
stability
under cycles
Test on mM
large scale
production
MIL127(Fe) x x x x x 30°C et 80°C
MIL100(Fe) x x x x x 30°C et 80°C
MIL100/CaCl2 38% x x x x x 30°C et 80°C
MIL100/CaCl2 49% x x x x x 30°C et 80°C x
MIL127/CaCl2 30% x x x x x 30°C et 80°C
MIL127/CaCl2 38% x x x x x 30°C et 80°C
MIL127/CaCl2 48% x x x x x 30°C et 80°C
NH2-MIL125(Ti) x x x x x
NH2-UiO66(Zr) x x x x x
NH2-MIL125/CaCl2 x x x x
NH2-UiO66/CaCl2 x x x x
MIL160(Al) x x x x x
MIL101(Cr) x x x
MIL160/CaCl2 34% x x
MIL101/CaCl2 62% x x x x x x x x
MIL101/SrBr2 60% x x x x x x x x
10
Résultats
• MIL160
0,33 geau/gsolide
Densité énergétique de l’ordre de
141 kWh/m3
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
m(water)perm(dryadsorbent)/g.g-1
p/ Pa
adsorption desorption30 C
40 C 50 C
60 C
70 C
80 C
30°C-80°C
1250 Pa
11
• 2 composites pour utilisation à court terme :
– Densité énergétique dans les conditions de référence : 200 kWh/m3 (matériaux
en tas).
– Stable dans le temps.
– Méthode de synthèse et/ou composite innovant
– Performances (densité énergétique) supérieures à ce qui est rapporté dans la
littérature
– Prix
• Famille de composites à base de MOF
– Composites et méthodes de synthèse innovantes (premiers travaux sur le sujet)
– Certains sont prometteurs
– Problème de la production à grande échelle, coût
• MIL160
– Première étude sur l’utilisation de ce MOF pour le stockage de chaleur
– Nouvelle méthode de synthèse
– Meilleure densité énergétique jamais reportée pour un adsorbant physique
– Problème de la production à grande échelle, coût
Résultats
12
• Densités énergétiques calculées dans des conditions de référence (30°C-80°C –
p=1250 Pa)
• Quelles sont les conditions réelles d’utilisation, impact sur la densité énergétique ?
– Mise à disposition des isothermes dans un vastes domaine de conditions de T, p
– Conditions de fonctionnement dépendent de l’intégration du réacteur dans le système complet
• Cinétique de réaction – densité énergétique – Puissance thermique
– La sélection se fait sur base de la densité énergétique dans des conditions d’équilibre; en
réalité, le réacteur ne permet pas d’atteindre les conditions d’équilibre (perte de densité
énergétique)
– La cinétique conditionne la puissance thermique
– Plus la réaction approche de l’équilibre, plus elle est lente (compromis entre la puissance
thermique et la densité énergétique ou entre la taille du réacteur et la taille du stockage de
solide
• Caractéristiques du réacteur et de la configuration du système (mode chauffage)
– Vitesse d’air élevée (cinétique élevée, puissance thermique élevée)
– Humidité de l’air importante (cinétique initiale élevée, puissance thermique élevée, densité
énergétique élevée)
– Temps de contact élevé - taille importante du réacteur (densité énergétique élevée)
– Circulation de solide (puissance thermique constante)
– Faibles pertes de charges
• Tests en prototype de labo :
– Quelques centaines de W par kg de solide
Mise en oeuvre des matériaux
13
• Demande en chaleur d’un bâtiment de 3000
kWh avec une puissance de 2 kW au
maximum:
– 15 m3 de matériaux en stockage (facteur 5 /
stockage dans l’eau, facteur 10 / stockage dans le
sol)
– 7 kg de solide dans le réacteur
Applications
14
• Courbon E., D’Ans P., Permyakova A., Skrylnyk O., Steunou N., Degrez M., Frère M., "Further
improvement of the synthesis of silica gel and CaCl2 composites: Enhancement of energy
storage density and stability over cycles for solar heat storage coupled with space heating
applications " in Solar Energy 157, 2017, 532-541, 10,1016/j.solener.2017,08,034
• Permyakova A., Wang Sujin, Courbon Emilie, Nouar Farid, Heymans Nicolas, D'Ans Pierre,
Barrier Nicolas, Billemont Pierre, De Weireld Guy, Steunou Nathalie, Frère Marc, Serre Christian,
"Design of salt–metal organic framework composites for seasonal heat storage applications"
in Journal of Materials Chemistry A, 10.1002/cssc.201700164 (2017)
• Permyakova A., Skrylnyk Oleksandr, Courbon Emilie, Affram M., Wang Sujin, Lee U.-H., Valekar
A.H., Nouar Farid, Mouchaham G., Devic Thomas, De Weireld Guy, Chang J.-S., Steunou
Nathalie, Frère Marc, Serre Christian, "Synthesis optimization, shaping and heat reallocation
evaluation of the hydrophilic Metal Organic Framework MIL- 160(Al" in ChemSusChem, 10, 7,
1419–1426, 10.1002/cssc.201700164 (2017)
• Courbon Emilie, D'Ans Pierre, Permyakova A., Skrylnyk Oleksandr, Steunou Nathalie, Degrez
Marc, Frère Marc, "A new composite sorbent based on SrBr2 and silica gel for solar energy
storage application with high energy storage and stability" in Applied Energy, 190, 1184, 1194
(2017)
• D'Ans Pierre, Hohenauer Wolfgang, Courbon Emilie, Frère Marc, Degrez Marc, Descy Gilbert,
"Monitoring of thermal properties of a composite material used in thermochemical heat
storage" in "Eurotherm Seminar 99 : Advances in Thermal Energy Storage" , Lleida, Spain (2014)
Publications
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Systèmes et réacteurs
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1
BE-SOL
1. Intégration dans système
Sous vide/atmosphérique
Ouvert/fermé
2. Différents types de réacteurs
3. Système de transfert entre stock matière première et réacteurs
Design des réacteurs thermochimiques
Réunion de clôture - Arlon ULg -
2017/09/20
2
BE-SOL
1. Intégration dans système
Le concept des réacteurs thermochimiques par sorption met en œuvre les phénomènes de
transport de matières et d’énergie.
Enceintes sous vide
Les réactions de sorption peuvent être réalisés dans des enceintes sous vide.
Design des réacteurs thermochimiques
Avantage Inconvénients
• Transfert de matière (vapeur d’eau par
ex.) est très favorisé
• Complexité de fabrication
• Difficultés de maintien des conditions de
vide
• Réduction des modes de transfert de
chaleur: pas de convection, conduction
réduite et rayonnement
Réunion de clôture - Arlon ULg -
2017/09/20
3
BE-SOL
1. Intégration dans système
Le concept des réacteurs thermochimiques par sorption met en œuvre les phénomènes de
transport de matières et d’énergie.
Réacteurs sous pression atmosphérique
Design des réacteurs thermochimiques
Avantages Inconvénients
• Construction et maintenance plus simple
• Choix entre système ouvert ou système
fermé
• Transfert thermique important par
convection forcée
• Consommation d’énergie auxiliaire plus
faible
• Transfert de masse de molécules d’eau
sous forme de vapeur réduit par la
présence de gaz atmosphérique
• Conditions de transfert de chaleur
tributaires des écoulements d’air dans le
milieu poreux
• Effet de corrosion
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BE-SOL
1. Intégration dans système
Réacteurs sous pression atmosphérique
Système sous pression atmosphérique → Permet 2 configurations possibles:
Design des réacteurs thermochimiques
Le modèle de réacteur sous pression atmosphérique a donc été choisi pour développer les
prototypes de réacteurs à intégrer dans le système.
Système ouvert Système fermé
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1. Intégration dans système
Représentation du milieu réactif sous pression atmosphérique
Design des réacteurs thermochimiques
Les molécules de vapeur d’eau présentes dans l’air vont
s’adsorber sur la surface des matériaux en libérant de
l’énergie.
Il faut donc apporter, par un flux d’air, des molécules d’eau
en permanence pour maintenir l’adsorption et l’énergie
dégagée.
Cette énergie dégage de la chaleur qui va être transférée
au flux l’air qui entoure les grains de matières.
En adsorption le flux d’air qui traverse le milieu
poreux d’une part perd de son humidité et d’autre
par gagne en température.
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1. Intégration dans système
Considérations sur le transfert d’énergie entre les grains du matériau et l’air
Conduction du grain dans lequel se situe la réaction d’adsorption:
• Taille du grain moyen : 250 µm
• La conduction thermique est de l’ordre de 1 W/m*K
Comme la distance de transfert est très petite la faible conduction n’offre pas de résistance
au transfert d’énergie vers la surface du grain.
En tenant compte de la compacité on estime que la surface d’échange est de l’ordre de
grandeur de 16.000 m²/m³ de matériau. Ainsi un lit de 1m² et de 10mm d’épaisseur a une
surface interne d’échange de 160 m².
En prenant un coefficient d’échange thermique de 15W/m²*K on a donc sur le lit de 1m² un
échange de 2,400 W/K ce qui est excellent.
Design des réacteurs thermochimiques
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BE-SOL
2. Différents types de réacteurs
Réacteur à lit statique ou à lit mobile?
Le matériau qui adsorbe de la vapeur d’eau s’enrichit en masse jusqu’à la limite de
déliquescence et dès ce moment la production d’ énergie est réduite fortement.
Se pose le problème de remplacer le matériau dans le réacteur.
On peut considérer que le matériau reste fixe et dès lors tout le stock de ce matériau est en
même temps un réacteur. C’est la conception du réacteur/stockage intégré.
Lorsqu’on a besoin d’une grande masse de matériau il est économiquement impossible de
construire suivant ce principe.
Réacteur séparé du stockage de matériau et nécessite de réaliser le transfert
entre les deux équipements
Design des réacteurs thermochimiques
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2. Réacteur à lit mobile (réacteur dont le matériau est mobile)
Facteur influençant le rendement du réacteur :
Pertes de charge de l’air à travers le lit
2 types de réacteurs:
• Lit agité: choix qui réduit fortement la perte de charge
• Lit confiné vertical: perte de charge fonction de la granulométrie/épaisseur/vitesse
d’air
Premier choix: lit agité
Deux types de réacteurs:
• Lit horizontal
• Lit circulaire
Design des réacteurs thermochimiques
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2. Réacteur à lit mobile horizontal
Design des réacteurs thermochimiques
1
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BE-SOL
2. Réacteur à lit mobile circulaire
Design des réacteurs thermochimiques
1
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BE-SOL
2. Réacteur à lit mobile circulaire
Design des réacteurs thermochimiques
1
Intégration des échangeurs et de la circulation du composite
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2. Réacteur à lit mobile circulaire
Design des réacteurs thermochimiques
1
Tests au CEA/INES (Le Bourget-du-Lac, France)
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2. Réacteur à lit mobile circulaire
Analyse des réacteurs
Puissance (output)
Variable
Impossible d’ajuster une puissance constante
Transfert de solide poreux
Temps trop long de transfert, principalement évacuation
Fragilité vannes
Résidus restent sur le tamis du réacteur
Fluidisation par vibrations
Besoin faible en énergie(41W)
Fiabilité mécanique
Pertes de charge très faibles < 70 Pa
Bruit trop important (> 65 dB)
Design des réacteurs thermochimiques
1
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BE-SOL
2. Différents types de réacteurs
Deuxième choix: réacteur à lit confiné vertical (écoulement gravitaire contrôlé)
Objectif: puissance constante
Écoulement du composite par couche intermittente (6 couches)
• Avantages : simplicité de fonctionnement/gestion flux de solide
• Difficulté : gestion du débit du solide
Design des réacteurs thermochimiques
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BE-SOL
2. Réacteur à lit confiné vertical
Design des réacteurs thermochimiques
Réacteur monté sur banc de test chez Be-Sol
2
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2. Réacteur à lit confiné vertical
Design des réacteurs thermochimiques
Réacteur monté sur banc de test au CEA/INES
2
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BE-SOL
2. Réacteur à lit confiné vertical
Caractéristiques du réacteur monté chez Be-Sol et résultats des tests
Design des réacteurs thermochimiques
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
0 900 1800 2700 3600 4500 5400 6300 7200 8100 9000 9900 10800 11700
Pair(W)
Time(s)
P air(W)
Taux de cyclage/masse initiale
66 Moy. mobile sur pér. (P air(W))
2
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Surface de passage air 0,3120m2
Epaisseur lit vertical 0,008m
Volume lit vertical 0,0025M3
Humidité initiale composite 13%%
Masse intiale dans lit réacteur 1,98Masse initiale dans le lit
BE-SOL
2. Réacteur à lit confiné vertical
Caractéristiques du réacteur monté chez Be-Sol et résultats des tests
Design des réacteurs thermochimiques
Surface de passage air 0,3120m2
Epaisseur lit vertical 0,008m
Volume lit vertical 0,0025M3
Humidité initiale composite 13%%
Masse intiale dans lit réacteur 1,98Masse initiale dans le lit
2
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19
500
525
550
575
600
625
650
840 900 960 1020 1080 1140 1200 1260 1320 1380 1440 1500 1560 1620 1680
Pair(W)
Time(s)
P air(W) durant phase régime (840 to 1680 s / 14 minutes)
P air(W)
24 Moy. mobile sur pér. (P air(W))
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2. Réacteur à lit confiné vertical
Caractéristiques du réacteur monté chez Be-Sol et résultats des tests
Design des réacteurs thermochimiques
2
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20
20,00
21,00
22,00
23,00
24,00
25,00
26,00
27,00
28,00
29,00
30,00
31,00
32,00
33,00
34,00
35,00
36,00
37,00
38,00
39,00
40,00
41,00
42,00
43,00
44,00
45,00
46,00
47,00
48,00
0 900 1800 2700 3600 4500 5400 6300 7200 8100 9000 9900 10800 11700
Pair(W)
Time(s)
T sortie (moyen)
T Entrée (moyen)
T Entrée réacteur
21 Moy. mobile sur pér. (T sortie (moyen))
Surface de passage air 0,3120m2
Epaisseur lit vertical 0,008m
Volume lit vertical 0,0025M3
Humidité initiale composite 13%%
Masse intiale dans lit réacteur 1,98Masse initiale dans le lit
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3. Système de transfert de composite
Transfert nécessaire du composite sous forme de poudre entre réacteur et stockage
Caractéristiques à respecter:
• Automatique
• Éviter que le composite ne soit à l’air libre
• Faible consommation énergétique
• Pas trop lent
• Ne pas dégrader le composite
• Ne pas mélanger le composite anhydre et hydraté
• Ne pas être sujet à la corrosion par le composite
• Aussi compact que possible
• Coût raisonnable
Design des réacteurs thermochimiques
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21
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3. Convoyeur à vis d’Archimède
1er système testé: vis sans fin à faible frottement
Design des réacteurs thermochimiques
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22
1
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3. Convoyeur à vis d’Archimède
Problèmes:
Design des réacteurs thermochimiques
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23
1
Corrosion Colmatage
Dégradation du composite:
Granulométrie moyenne du composite: 70µm
Maillage tamis: trous de 50µm
• Taux de passage avant utilisation du système à vis: 0,4%
• Taux de passage après 10h dans vis en mouvement: 48%
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3. Convoyeur XYZ
Robot avec 3 degrés de liberté de translation
Design des réacteurs thermochimiques
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2017/09/20
24
2
• Encombrant
• Moteurs trop puissants et chers
• Nécessite de la précision mécanique
• Coûts très élevés
BE-SOL
3. Transfert par dépression
1ère étape: état de l’art des systèmes de transfert de poudre sur le marché.
2 problèmes:
• Systèmes fabriqués uniquement avec de l’inox 304L ou 316L (qui sont corrodés
par le composite)
• Extrêmement cher (système de test pour 12.000€ et système complet entre
50.000 et 70.000€)
2ème étape: un système a été développé et testé dans le laboratoire de Be-Sol
Design des réacteurs thermochimiques
Réunion de clôture - Arlon ULg -
2017/09/20
25
3
BE-SOL
3. Transfert par dépression
Système développé par Be-Sol
Design des réacteurs thermochimiques
Réunion de clôture - Arlon ULg -
2017/09/20
26
3
• Transfert de composite par paquets et à vitesse
lente (1m/s)
• Distance de transfert testée: 12m de long et 3m de
haut. Possibilité d’atteindre les 50m de long et 20m
de haut.
• Transfert rapide
• Consommation énergétique < 3% du contenu
énergétique du composite
• Résultats après + de 70 cycles: aucune dégradation
du composite
BE-SOL
3. Système de transfert de composite
Tableau récapitulatif
Design des réacteurs thermochimiques
Réunion de clôture - Arlon ULg -
2017/09/20
27
Vis d’Archimède Convoyeur XYZ
Transfert par
dépression
Composite pas à l’air
libre
√ √ √
Consommation
énergétique
× (250W x4)
× (Moteurs trop
puissants)
√
Durée √ (5min)
√ (une dizaines de
minutes)
√
Pas de dégradation du
composite
× √ √
Pas de mélange
anhydre/hydraté
× √ √
Pas sujet à la corrosion × √ √
Compacité √ × √
Coût × (+ de 10 000€)
× (12 816.01€
seulement pour les
moteurs)
√
INTÉGRATION SYSTÈME ET SIMULATION
Séminaire de clôture du projet SoTherCo
ULiège – Arlon Campus Environnement
grant agreement n°295775
Samuel Hennaut - Elisabeth Davin
Romain Baiwir - Philippe André
Bâtiment
Emetteur de
chaleur
Capteur solaire
Ballon tampon
Réacteur
Echangeurs
Adsorption
Désorption
METHODOLOGIE SYSTÈME
Simulation Expérimentation1an 1h
CONTENU
• Expérimentation
• Adsorption (chauffage)
• Désorption (stockage)
• Amélioration intégration système
• Simulation
• Système/Bâtiment
• Résultats annuels
• Consommations électriques auxiliaires
PLATEFORMES EXPÉRIMENTALES
Le Bourget-du-Lac
CEA - INES
Uniquement réacteur
Arlon - ULiège
Réacteur intégré au
système
Emulation
Conditions
reproductibles, stables
et comparables
SYSTÈME ULIÈGE
• 1er prototype en taille réelle
– 1 kW
• Intégration système et
bâtiment (ballon, émetteur)
• Inclus stockage & transport de
l’adsorbant
• Configurations multiples
• Système ouvert/fermé
• Humidification
• Récupération
• Source froide
CONFIGURATIONS PRINCIPALES
Chauffage : boucle fermée Stockage : boucle ouverte
EXPÉRIMENTATION SEMI-VIRTUELLE
Chauffage : boucle fermée Stockage : boucle ouverte
CHAUFFAGE - ADSORPTION
• Conditions standards
• Boucle d’air fermée
• 2.15 kg adsorbant
• 25°C retour chauffage
• Pas de source froide (≤8°C)
• Débit d’air: 250 m³/h
• Flux de chaleur
• Moy. réacteur: 600 W
• Moy. utilisateur: 254 W
• Durée: 47 min
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Heatflow[W]
Time (day and hour)
P.Air.Reactor(W) P.Wat.User(W)
CHAUFFAGE - ADSORPTION
• Conditions standards
• Température moyenne
• Sortie réacteur: 29 °C
• Départ chauffage: 27.8 °C
• Densité énergétique
• Réacteur : 153 kWh/m³
• Utilisateur: 65 kW/m³
20.00
22.00
24.00
26.00
28.00
30.00
32.00
Temperature[°C]
Time (day and hour)
T26(°C) T27(°C) TavgIn(°C) TavgOut(°C)
Utilisateur Réacteur
Réacteur
Utilisateur
CHAUFFAGE – ADSORPTION - BILAN
0
100
200
300
400
500
600
700
IN [Wh] OUT [Wh]
Energie[Wh]
Humidif.
User
Fan & CS HX inertia
Reactor
42 %
Réacteur
Utilisateur
Humidif.
AMÉLIORATIONS POSSIBLES
• Source froide
• Plus chaude
• En. Utilisateur/En. Réacteur = 70 % à 20°C
• Préacteur,moy= 980 W
• Utiliser l’air humide extrait du bâtiment
par la VMC  boucle ouverte
• Putilisateur = Préacteur * ηéchangeurs
• Isolation du réacteur (tests à venir)
• Récupération améliorée (échangeurs)
Amélioration densité énergétique
et flux de chaleur
STOCKAGE - DÉSORPTION
0
20
40
60
80
100
60 70 80 90
Durée[min]-Efficacité[%]
Température de l'eau pour la désorption [°C]
Durée [min] Efficacité [%]
SIMULATION SYSTÈME
Climats
européens
Puissance
réacteur
upscalling
MASSE DE SOLIDE
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
Massedesolide[kg]
Puissance réacteur [kW]
Brussels Solid (kg)
Vienna Solid (kg)
Stockholm Solid (kg)
Besoins
inexistants pour
Barcelone
APPOINT CHAUFFAGE
0
50
100
150
200
250
300
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
Appointchauffage[kWh]
Puissance réacteur [kW]
Brussels BU H (kWh)
Vienna BU H (kWh)
Stockholm BU H (kWh)
Besoins
inexistants pour
Barcelone
DIMENSIONNEMENT BRUXELLES
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
Appointchauffage[kWh]
Massedesolide[kg]
Puissance réacteur [kW]
Solid (kg)
Appoint (kWh)Autonomie
solaire (800 W)
Prototype
boucle fermée
250 W
Estimation proto
boucle ouverte
500 W
TECHNOLOGIE CAPTEURS
0%
100%
200%
300%
400%
500%
600%
700%
800%
900%
1000%
15 20 25 30
Apportsolairespour
stockagesaisonnier
[%desbesoins]
Surface capteur [m²]
EFPC - 40°
FPC - 40°
ETC1 - 40°
ETC 2 - 40°
Prototype
Capteurs plans inadaptés
pour désorption à 85°C
CONSOMMATIONS ÉLECTRIQUES AUXILIAIRES
Climat de
Bruxelles
CONSOMMATIONS ÉLECTRIQUES AUXILIAIRES
Climat de
Bruxelles
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
• Prototype actuel
• OK pour maison passive
• Habitation basse énergie: augmentation d’échelle
• Couplage VMC prometteur
• Optimiser tous les composants
• Echangeurs: dimensionnement, isolation
• Auxiliaires: transport, ventilateur, contrôle
INSIDE SOTHERCO?
BE-SOL
Aspects technico-économiques
Réunion de clôture - Arlon ULg -
2017/09/20
1
BE-SOL
Aspects technico-économiques
Réunion de clôture - Arlon ULg -
2017/09/20
2
Sous-systèmes
Le système de stockage étudié et développé dans SOTHERCO comprend principalement
4 sous-systèmes:
1. Le réacteur et ses composants associés: échangeurs, conduits aérauliques,
ventilateurs, régulation, …
2. Le système de transfert
3. Les réservoirs de stockage
4. Le matériau de stockage
Le stockage transfère l’énergie qui lui est livrée avec un rendement dû aux pertes
thermiques durant les transformations . Cependant les pertes d’énergie des réaction
exo-endothermiques sont nulles dans le processus thermochimique.
Le matériau composite de stockage dans son état anhydre ne perd pas d’énergie pour
autant qu’il soit à l’abri de l’humidité!
BE-SOL
Aspects technico-économiques
Réunion de clôture - Arlon ULg -
2017/09/20
3
Analyse du coût du transfert de l’énergie qui transite complètement dans le système
Cette quantité d’énergie est la valeur nette utile délivrée à la sortie du système de
stockage.
Établissement du coût de transfert : données et paramètres
1) Investissement initial dans les 4 sous-systèmes
2) Cout de maintenance
3) Cout de consommation d’énergie auxiliaire
4) Valeurs résiduelles au terme de la durée de vie
5) Durée de vie des sous-systèmes
6) Quantité d’énergie en transit pendant la durée de vie
BE-SOL
Aspects technico-économiques
Réunion de clôture - Arlon ULg -
2017/09/20
4
Analyse du coût du transfert de l’énergie qui transite complètement dans le système
Paramètres qui influencent le plus de coût de transfert:
Quantité d’énergie en transit pendant la durée de vie
Prenons une capacité de stockage Cs (MJ ou kWh).
Considérons que cette Cs est utilisée 10 fois/an et que la durée de vie estimée est de
25 ans.
L’ensemble des coûts (1+2+3-4) est à diviser par 250.
Si pour les mêmes coûts l’utilisation n’est que de 1 fois/an pendant même une durée
augmentée de 30 ans, les coûts sont à diviser par 30 seulement.
Donc quand dans le projet SOTHERCO on étudie le stockage inter saisonnier, on se situe
économiquement dans la configuration la plus difficile
BE-SOL
Aspects technico-économiques
Réunion de clôture - Arlon ULg -
2017/09/20
5
Calcul d’évaluation
Capacité de stockage 2.500,00 kWh
Volume stockage 17,61 m3
Masse composite 12.500,00 kg
P max reacteur 3,00 kW
Nb de cycle/an 1,00
Description
taux valeur
résiduelle Durée vie (y) Invest (€)
Cout €/kWh
transfert %
Reacteur &HE…. 30 5.364 0,07 10%
Système de transfert 30 3.377 0,05 6%
Réservoirs stockage 30 3.859 0,05 7%
Materiau de stockage 30 43.575 0,58 78%
Valeur résiduelle Composite 0% 30 - -
Total 56.174 0,75 100%
Description
taux valeur
résiduelle Durée vie (y) Invest (€)
Cout €/kWh
transfert %
Reacteur &HE…. 30 5.364 0,07 16%
Système de transfert 30 3.377 0,05 10%
Réservoirs stockage 30 3.859 0,05 11%
Materiau de stockage 30 43.575 0,58 63%
Valeur résiduelle Composite 50% 30 21.788- 0,29-
Total 34.386 0,46 100%
BE-SOL
Aspects technico-économiques
Réunion de clôture - Arlon ULg -
2017/09/20
6
Calcul d’évaluation
Cas où le nombre de cycles/an est >1 (on n’est plus dans l’inter saisonnier!)
On voit que le cout de transfert est réduit par 4.
Capacité de stockage 166,67 kWh
Volume stockage 1,17 m3
Masse composite 833,33 kg
P max reacteur 3,00 kW
Nb de cycle/an 15,00
Description
taux valeur
résiduelle Durée vie (y) Invest (€)
Cout €/kWh
transfert %
Reacteur &HE…. 30 5.364 0,07 62%
Système de transfert 30 1.126 0,02 13%
Réservoirs stockage 30 772 0,01 9%
Materiau de stockage 30 2.905 0,04 17%
Valeur résiduelle Composite 50% 30 1.452- 0,02-
Total 8.713 0,12 100%

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Séminaire de clôture du projet SOTHERCO | Arlon (ULg) - 20 septembre 2017

  • 1.
  • 2. BE-SOL Réunion Arlon/ULg 2017 09 20 1 Ordre du jour des présentations 10h00 à 10h10 : présentation du projet : Objectifs/Tâches principales/Acteurs 10h10-10h40 : les matériaux de stockage (MF) Choix de la technologie d’adsorption : motivations et avantages Choix des conditions de fonctionnement Choix des matériaux Résultats 10h40-11h10 : le processus d’utilisation des matériaux Design des réacteurs Intégration dans système Ouvert/Fermé Présentation de différents types de réacteurs Système de transfert entre stock MP et réacteurs Résultats des essais 11h10-11h30 Intégration dans système Résultats de simulation de systèmes 11h30-11h 40 Aspect technico-économiques et perspectives au-delà de Sotherco 11h40-12h00 Questions/réponses 12h00-12h30 Visite labo expérimental Sotherco
  • 3. BE-SOL Réunion Arlon/ULg 2017 09 20 2 Objectifs du projet Sotherco : projet européen FP7: www.sotherco.eu Concevoir, construire et réaliser les tests de stockage thermique inter saisonnier pour le chauffage de bâtiments 1. Choisir les types de réactions thermochimiques 2. Etudier et choisir les matériaux de stockage 3. Etudier et établir les caractéristiques des matériaux 4. Concevoir et tester par itération successives les types réacteurs mettant en œuvre les matériaux et processus de réaction 5. Etudier les systèmes complets , réacteurs/échangeurs/circuits aérauliques/régulateur/… à intégrer dans les systèmes de chauffage 6. Modéliser ces systèmes 7. Tester le systèmes en environnement de laboratoire par émulation des conditions d’utilisation. 8. Réaliser une analyse technico-économique des résultats du projet pour tracer une road-map afin d’amener les résultats au stade actuel TRL5-6 au niveaux de TRL 8-9
  • 4. BE-SOL Réunion Arlon/ULg 2017 09 20 Be-Sol (Bureaux d'Études Solaires) Rue de la griotte, 2A 5580 Rochefort BELGIUM Phone : +32 84 38 88 63 Homepage : www.be-sol.eu CEA/INES (Institut National de l'Énergie Solaire) 50 avenue du lac Léman - Technopôle Savoie Techno lac 73375 Le Bourget du Lac Cedex FRANCE Phone : +33 4 79 79 20 00 Homepage : www.ines-solaire.org Université de Mons - ENERGY Institute 20, place du Parc B7000 Mons BELGIUM Phone : +32 65 37 31 11 Homepage : www.umons.ac.be/energie ULB (Université Libre de Bruxelles) - 4MAT 4MAT (CP 165/63) Avenue F.D. Roosevelt, 50 1050 Bruxelles BELGIUM Phone : +32 2 650 29 52 Homepage : 4mat.ulb.ac.be AIT (Austrian Institute of Technology) Donau-City-Straße 1 1220 Vienna AUSTRIA Phone : +43 50550 0 Homepage : www.ait.ac.at ULg (Université de Liège) - BEMS Avenue de Longwy, 185 6700 ARLON BELGIUM Phone : +32 63 230 853 Homepage : www.bems.ulg.ac.be UVSQ (Université de Versailles Saint- Quentin-en-Yvelines) 55 avenue de Paris 78035 Versailles FRANCE Phone : +33 1 39 25 78 00 Homepage : www.uvsq.fr CLIPSOL (Groupe GDF SUEZ/Engie) PAE Les Combaruches 73100 Aix-les-Bains FRANCE Phone : +33 4 79 34 35 36 Homepage : www.clipsol.com 3 Les partenaires du projet SOTHERCO
  • 5. Les matériaux de stockage 1
  • 6. 2 Principes théoriques Effet thermique réalisé par une réaction physique ou chimique réversible : AB A+B A+B AB • A et AB sont des solides • B = vapeur d’eau Réaction caractérisée par : • Chaleur de réaction Q : kJ/kg d’eau • Masse volumique du solide : r Densité énergétique = Q*masse d’eau transférée par kg de solide*r : • Masse volumique • Q • Masse d’eau transférée
  • 7. 3 Principes théoriques Réactions chimiques SrBr2.1H2O+5H2O SrBr2.6H2O • Masse d’eau transférée = stœchiométrie • Chaleur de réaction élevée • Possibilité d’obtenir des densités énergétiques élevées (qq centaines kWh/m3) • Peu stables RéactionLn P -1/TTseuil SrBr2.1H2O+5H2O SrBr2.6H2O
  • 8. 4 Principes théoriques Réactions physiques Matériau poreux + H2O Matériau poreux chargé en eau • Masse d’eau transférée souvent faible • Chaleur de réaction faible • Densités énergétiques faibles ( 1 centaine kWh/m3) • Stables m= masse d’eau par unité de masse de matériau m1>m2>m3 désorption RéactionLn P -1/T Matériau poreux chargé en eau Matériau poreux+H2O m1 m2 m3
  • 9. Objectifs du projet SOTHERCO Développement de matériaux composites (utilisation rapide) • Sel hygroscopique intégré dans une matrice poreuse (stabilisation) • Haut taux de sel >< Stabilité • Synthèse, caractérisation structurale, caractérisation énergétique • Sels: SrBr2, MgCl2, CaCl2, MgSO4,SrCl2 • Matrice poreuse : Gel de silice (essentiellement) Développement de matériaux composites et de matériaux poreux innovants (candidats futurs) • MOFs: Metal Organic Framework comme matériaux poreux ou comme matrice poreuse (CaCl2, SrBr2) Densité énergétique cible : > 150 kWh/m3 5
  • 10. 6 Résultats Matériaux BET SEM-EDX XRF IR TGA XRD Thermo- XRD Bulk densit y Grain size distrib ution cp Efficien cy test water sorpti on isothe rms stabilit y under cycles Test on mM large scale produc tion silica gel/CaCl2 40% (SG100, SG62, SGSanpont) x x x x x x x x x x x x x x x silica gel/CaCl2 26% (SG100) x x x x x x x SG100 /MgCl2 38.48% x x SG100 /MgCl2 33.18% x x SG100/MgCl2.2H2O 39.38% x x activated carbon/CaCl2 32% x x x x x silica gel SG62/MgSO4 33% x x silica gel SG62/MgSO4 51.6% x x silica gel SG62/MgCl2.2H2O 44.47% x x x x x x x x x x x x x x silica gel SG62/SrBr2 58% x x x x x x x x x x x x x x silica gel SG100/SrCl2 42.72% x x silica gel SG100/SrBr2 48% x x x x x x x • Composites pour application rapide :
  • 11. 7 Résultats • Gel de silice-CaCl2 (40%) 0,36 geau/gsolide Densité énergétique de l’ordre de 200 kWh/m3 30°C-80°C 1250 Pa
  • 12. 8 Résultats • Gel de silice-SrBr2 (58%) 0,22 geau/gsolide Densité énergétique de l’ordre de 200 kWh/m3 30°C-80°C 1250 Pa
  • 13. 9 Résultats • Composites et matériaux poreux innovants : Matériaux BET SEM- EDX XRF IR TGA XRD Thermo- XRD Bulk density Grain size distribution cp Efficiency test water sorption isotherms stability under cycles Test on mM large scale production MIL127(Fe) x x x x x 30°C et 80°C MIL100(Fe) x x x x x 30°C et 80°C MIL100/CaCl2 38% x x x x x 30°C et 80°C MIL100/CaCl2 49% x x x x x 30°C et 80°C x MIL127/CaCl2 30% x x x x x 30°C et 80°C MIL127/CaCl2 38% x x x x x 30°C et 80°C MIL127/CaCl2 48% x x x x x 30°C et 80°C NH2-MIL125(Ti) x x x x x NH2-UiO66(Zr) x x x x x NH2-MIL125/CaCl2 x x x x NH2-UiO66/CaCl2 x x x x MIL160(Al) x x x x x MIL101(Cr) x x x MIL160/CaCl2 34% x x MIL101/CaCl2 62% x x x x x x x x MIL101/SrBr2 60% x x x x x x x x
  • 14. 10 Résultats • MIL160 0,33 geau/gsolide Densité énergétique de l’ordre de 141 kWh/m3 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 m(water)perm(dryadsorbent)/g.g-1 p/ Pa adsorption desorption30 C 40 C 50 C 60 C 70 C 80 C 30°C-80°C 1250 Pa
  • 15. 11 • 2 composites pour utilisation à court terme : – Densité énergétique dans les conditions de référence : 200 kWh/m3 (matériaux en tas). – Stable dans le temps. – Méthode de synthèse et/ou composite innovant – Performances (densité énergétique) supérieures à ce qui est rapporté dans la littérature – Prix • Famille de composites à base de MOF – Composites et méthodes de synthèse innovantes (premiers travaux sur le sujet) – Certains sont prometteurs – Problème de la production à grande échelle, coût • MIL160 – Première étude sur l’utilisation de ce MOF pour le stockage de chaleur – Nouvelle méthode de synthèse – Meilleure densité énergétique jamais reportée pour un adsorbant physique – Problème de la production à grande échelle, coût Résultats
  • 16. 12 • Densités énergétiques calculées dans des conditions de référence (30°C-80°C – p=1250 Pa) • Quelles sont les conditions réelles d’utilisation, impact sur la densité énergétique ? – Mise à disposition des isothermes dans un vastes domaine de conditions de T, p – Conditions de fonctionnement dépendent de l’intégration du réacteur dans le système complet • Cinétique de réaction – densité énergétique – Puissance thermique – La sélection se fait sur base de la densité énergétique dans des conditions d’équilibre; en réalité, le réacteur ne permet pas d’atteindre les conditions d’équilibre (perte de densité énergétique) – La cinétique conditionne la puissance thermique – Plus la réaction approche de l’équilibre, plus elle est lente (compromis entre la puissance thermique et la densité énergétique ou entre la taille du réacteur et la taille du stockage de solide • Caractéristiques du réacteur et de la configuration du système (mode chauffage) – Vitesse d’air élevée (cinétique élevée, puissance thermique élevée) – Humidité de l’air importante (cinétique initiale élevée, puissance thermique élevée, densité énergétique élevée) – Temps de contact élevé - taille importante du réacteur (densité énergétique élevée) – Circulation de solide (puissance thermique constante) – Faibles pertes de charges • Tests en prototype de labo : – Quelques centaines de W par kg de solide Mise en oeuvre des matériaux
  • 17. 13 • Demande en chaleur d’un bâtiment de 3000 kWh avec une puissance de 2 kW au maximum: – 15 m3 de matériaux en stockage (facteur 5 / stockage dans l’eau, facteur 10 / stockage dans le sol) – 7 kg de solide dans le réacteur Applications
  • 18. 14 • Courbon E., D’Ans P., Permyakova A., Skrylnyk O., Steunou N., Degrez M., Frère M., "Further improvement of the synthesis of silica gel and CaCl2 composites: Enhancement of energy storage density and stability over cycles for solar heat storage coupled with space heating applications " in Solar Energy 157, 2017, 532-541, 10,1016/j.solener.2017,08,034 • Permyakova A., Wang Sujin, Courbon Emilie, Nouar Farid, Heymans Nicolas, D'Ans Pierre, Barrier Nicolas, Billemont Pierre, De Weireld Guy, Steunou Nathalie, Frère Marc, Serre Christian, "Design of salt–metal organic framework composites for seasonal heat storage applications" in Journal of Materials Chemistry A, 10.1002/cssc.201700164 (2017) • Permyakova A., Skrylnyk Oleksandr, Courbon Emilie, Affram M., Wang Sujin, Lee U.-H., Valekar A.H., Nouar Farid, Mouchaham G., Devic Thomas, De Weireld Guy, Chang J.-S., Steunou Nathalie, Frère Marc, Serre Christian, "Synthesis optimization, shaping and heat reallocation evaluation of the hydrophilic Metal Organic Framework MIL- 160(Al" in ChemSusChem, 10, 7, 1419–1426, 10.1002/cssc.201700164 (2017) • Courbon Emilie, D'Ans Pierre, Permyakova A., Skrylnyk Oleksandr, Steunou Nathalie, Degrez Marc, Frère Marc, "A new composite sorbent based on SrBr2 and silica gel for solar energy storage application with high energy storage and stability" in Applied Energy, 190, 1184, 1194 (2017) • D'Ans Pierre, Hohenauer Wolfgang, Courbon Emilie, Frère Marc, Degrez Marc, Descy Gilbert, "Monitoring of thermal properties of a composite material used in thermochemical heat storage" in "Eurotherm Seminar 99 : Advances in Thermal Energy Storage" , Lleida, Spain (2014) Publications
  • 19. BE-SOL Systèmes et réacteurs Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 1
  • 20. BE-SOL 1. Intégration dans système Sous vide/atmosphérique Ouvert/fermé 2. Différents types de réacteurs 3. Système de transfert entre stock matière première et réacteurs Design des réacteurs thermochimiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 2
  • 21. BE-SOL 1. Intégration dans système Le concept des réacteurs thermochimiques par sorption met en œuvre les phénomènes de transport de matières et d’énergie. Enceintes sous vide Les réactions de sorption peuvent être réalisés dans des enceintes sous vide. Design des réacteurs thermochimiques Avantage Inconvénients • Transfert de matière (vapeur d’eau par ex.) est très favorisé • Complexité de fabrication • Difficultés de maintien des conditions de vide • Réduction des modes de transfert de chaleur: pas de convection, conduction réduite et rayonnement Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 3
  • 22. BE-SOL 1. Intégration dans système Le concept des réacteurs thermochimiques par sorption met en œuvre les phénomènes de transport de matières et d’énergie. Réacteurs sous pression atmosphérique Design des réacteurs thermochimiques Avantages Inconvénients • Construction et maintenance plus simple • Choix entre système ouvert ou système fermé • Transfert thermique important par convection forcée • Consommation d’énergie auxiliaire plus faible • Transfert de masse de molécules d’eau sous forme de vapeur réduit par la présence de gaz atmosphérique • Conditions de transfert de chaleur tributaires des écoulements d’air dans le milieu poreux • Effet de corrosion Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 4
  • 23. BE-SOL 1. Intégration dans système Réacteurs sous pression atmosphérique Système sous pression atmosphérique → Permet 2 configurations possibles: Design des réacteurs thermochimiques Le modèle de réacteur sous pression atmosphérique a donc été choisi pour développer les prototypes de réacteurs à intégrer dans le système. Système ouvert Système fermé Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 5
  • 24. BE-SOL 1. Intégration dans système Représentation du milieu réactif sous pression atmosphérique Design des réacteurs thermochimiques Les molécules de vapeur d’eau présentes dans l’air vont s’adsorber sur la surface des matériaux en libérant de l’énergie. Il faut donc apporter, par un flux d’air, des molécules d’eau en permanence pour maintenir l’adsorption et l’énergie dégagée. Cette énergie dégage de la chaleur qui va être transférée au flux l’air qui entoure les grains de matières. En adsorption le flux d’air qui traverse le milieu poreux d’une part perd de son humidité et d’autre par gagne en température. Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 6
  • 25. BE-SOL 1. Intégration dans système Considérations sur le transfert d’énergie entre les grains du matériau et l’air Conduction du grain dans lequel se situe la réaction d’adsorption: • Taille du grain moyen : 250 µm • La conduction thermique est de l’ordre de 1 W/m*K Comme la distance de transfert est très petite la faible conduction n’offre pas de résistance au transfert d’énergie vers la surface du grain. En tenant compte de la compacité on estime que la surface d’échange est de l’ordre de grandeur de 16.000 m²/m³ de matériau. Ainsi un lit de 1m² et de 10mm d’épaisseur a une surface interne d’échange de 160 m². En prenant un coefficient d’échange thermique de 15W/m²*K on a donc sur le lit de 1m² un échange de 2,400 W/K ce qui est excellent. Design des réacteurs thermochimiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 7
  • 26. BE-SOL 2. Différents types de réacteurs Réacteur à lit statique ou à lit mobile? Le matériau qui adsorbe de la vapeur d’eau s’enrichit en masse jusqu’à la limite de déliquescence et dès ce moment la production d’ énergie est réduite fortement. Se pose le problème de remplacer le matériau dans le réacteur. On peut considérer que le matériau reste fixe et dès lors tout le stock de ce matériau est en même temps un réacteur. C’est la conception du réacteur/stockage intégré. Lorsqu’on a besoin d’une grande masse de matériau il est économiquement impossible de construire suivant ce principe. Réacteur séparé du stockage de matériau et nécessite de réaliser le transfert entre les deux équipements Design des réacteurs thermochimiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 8
  • 27. BE-SOL 2. Réacteur à lit mobile (réacteur dont le matériau est mobile) Facteur influençant le rendement du réacteur : Pertes de charge de l’air à travers le lit 2 types de réacteurs: • Lit agité: choix qui réduit fortement la perte de charge • Lit confiné vertical: perte de charge fonction de la granulométrie/épaisseur/vitesse d’air Premier choix: lit agité Deux types de réacteurs: • Lit horizontal • Lit circulaire Design des réacteurs thermochimiques 1 Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 9
  • 28. BE-SOL 2. Réacteur à lit mobile horizontal Design des réacteurs thermochimiques 1 Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 10
  • 29. BE-SOL 2. Réacteur à lit mobile circulaire Design des réacteurs thermochimiques 1 Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 11
  • 30. BE-SOL 2. Réacteur à lit mobile circulaire Design des réacteurs thermochimiques 1 Intégration des échangeurs et de la circulation du composite Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 12
  • 31. BE-SOL 2. Réacteur à lit mobile circulaire Design des réacteurs thermochimiques 1 Tests au CEA/INES (Le Bourget-du-Lac, France) Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 13
  • 32. BE-SOL 2. Réacteur à lit mobile circulaire Analyse des réacteurs Puissance (output) Variable Impossible d’ajuster une puissance constante Transfert de solide poreux Temps trop long de transfert, principalement évacuation Fragilité vannes Résidus restent sur le tamis du réacteur Fluidisation par vibrations Besoin faible en énergie(41W) Fiabilité mécanique Pertes de charge très faibles < 70 Pa Bruit trop important (> 65 dB) Design des réacteurs thermochimiques 1 Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 14
  • 33. BE-SOL 2. Différents types de réacteurs Deuxième choix: réacteur à lit confiné vertical (écoulement gravitaire contrôlé) Objectif: puissance constante Écoulement du composite par couche intermittente (6 couches) • Avantages : simplicité de fonctionnement/gestion flux de solide • Difficulté : gestion du débit du solide Design des réacteurs thermochimiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 15
  • 34. BE-SOL 2. Réacteur à lit confiné vertical Design des réacteurs thermochimiques Réacteur monté sur banc de test chez Be-Sol 2 Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 16
  • 35. BE-SOL 2. Réacteur à lit confiné vertical Design des réacteurs thermochimiques Réacteur monté sur banc de test au CEA/INES 2 Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 17
  • 36. BE-SOL 2. Réacteur à lit confiné vertical Caractéristiques du réacteur monté chez Be-Sol et résultats des tests Design des réacteurs thermochimiques 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 0 900 1800 2700 3600 4500 5400 6300 7200 8100 9000 9900 10800 11700 Pair(W) Time(s) P air(W) Taux de cyclage/masse initiale 66 Moy. mobile sur pér. (P air(W)) 2 Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 18 Surface de passage air 0,3120m2 Epaisseur lit vertical 0,008m Volume lit vertical 0,0025M3 Humidité initiale composite 13%% Masse intiale dans lit réacteur 1,98Masse initiale dans le lit
  • 37. BE-SOL 2. Réacteur à lit confiné vertical Caractéristiques du réacteur monté chez Be-Sol et résultats des tests Design des réacteurs thermochimiques Surface de passage air 0,3120m2 Epaisseur lit vertical 0,008m Volume lit vertical 0,0025M3 Humidité initiale composite 13%% Masse intiale dans lit réacteur 1,98Masse initiale dans le lit 2 Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 19 500 525 550 575 600 625 650 840 900 960 1020 1080 1140 1200 1260 1320 1380 1440 1500 1560 1620 1680 Pair(W) Time(s) P air(W) durant phase régime (840 to 1680 s / 14 minutes) P air(W) 24 Moy. mobile sur pér. (P air(W))
  • 38. BE-SOL 2. Réacteur à lit confiné vertical Caractéristiques du réacteur monté chez Be-Sol et résultats des tests Design des réacteurs thermochimiques 2 Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 20 20,00 21,00 22,00 23,00 24,00 25,00 26,00 27,00 28,00 29,00 30,00 31,00 32,00 33,00 34,00 35,00 36,00 37,00 38,00 39,00 40,00 41,00 42,00 43,00 44,00 45,00 46,00 47,00 48,00 0 900 1800 2700 3600 4500 5400 6300 7200 8100 9000 9900 10800 11700 Pair(W) Time(s) T sortie (moyen) T Entrée (moyen) T Entrée réacteur 21 Moy. mobile sur pér. (T sortie (moyen)) Surface de passage air 0,3120m2 Epaisseur lit vertical 0,008m Volume lit vertical 0,0025M3 Humidité initiale composite 13%% Masse intiale dans lit réacteur 1,98Masse initiale dans le lit
  • 39. BE-SOL 3. Système de transfert de composite Transfert nécessaire du composite sous forme de poudre entre réacteur et stockage Caractéristiques à respecter: • Automatique • Éviter que le composite ne soit à l’air libre • Faible consommation énergétique • Pas trop lent • Ne pas dégrader le composite • Ne pas mélanger le composite anhydre et hydraté • Ne pas être sujet à la corrosion par le composite • Aussi compact que possible • Coût raisonnable Design des réacteurs thermochimiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 21
  • 40. BE-SOL 3. Convoyeur à vis d’Archimède 1er système testé: vis sans fin à faible frottement Design des réacteurs thermochimiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 22 1
  • 41. BE-SOL 3. Convoyeur à vis d’Archimède Problèmes: Design des réacteurs thermochimiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 23 1 Corrosion Colmatage Dégradation du composite: Granulométrie moyenne du composite: 70µm Maillage tamis: trous de 50µm • Taux de passage avant utilisation du système à vis: 0,4% • Taux de passage après 10h dans vis en mouvement: 48%
  • 42. BE-SOL 3. Convoyeur XYZ Robot avec 3 degrés de liberté de translation Design des réacteurs thermochimiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 24 2 • Encombrant • Moteurs trop puissants et chers • Nécessite de la précision mécanique • Coûts très élevés
  • 43. BE-SOL 3. Transfert par dépression 1ère étape: état de l’art des systèmes de transfert de poudre sur le marché. 2 problèmes: • Systèmes fabriqués uniquement avec de l’inox 304L ou 316L (qui sont corrodés par le composite) • Extrêmement cher (système de test pour 12.000€ et système complet entre 50.000 et 70.000€) 2ème étape: un système a été développé et testé dans le laboratoire de Be-Sol Design des réacteurs thermochimiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 25 3
  • 44. BE-SOL 3. Transfert par dépression Système développé par Be-Sol Design des réacteurs thermochimiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 26 3 • Transfert de composite par paquets et à vitesse lente (1m/s) • Distance de transfert testée: 12m de long et 3m de haut. Possibilité d’atteindre les 50m de long et 20m de haut. • Transfert rapide • Consommation énergétique < 3% du contenu énergétique du composite • Résultats après + de 70 cycles: aucune dégradation du composite
  • 45. BE-SOL 3. Système de transfert de composite Tableau récapitulatif Design des réacteurs thermochimiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 27 Vis d’Archimède Convoyeur XYZ Transfert par dépression Composite pas à l’air libre √ √ √ Consommation énergétique × (250W x4) × (Moteurs trop puissants) √ Durée √ (5min) √ (une dizaines de minutes) √ Pas de dégradation du composite × √ √ Pas de mélange anhydre/hydraté × √ √ Pas sujet à la corrosion × √ √ Compacité √ × √ Coût × (+ de 10 000€) × (12 816.01€ seulement pour les moteurs) √
  • 46. INTÉGRATION SYSTÈME ET SIMULATION Séminaire de clôture du projet SoTherCo ULiège – Arlon Campus Environnement grant agreement n°295775 Samuel Hennaut - Elisabeth Davin Romain Baiwir - Philippe André
  • 47. Bâtiment Emetteur de chaleur Capteur solaire Ballon tampon Réacteur Echangeurs Adsorption Désorption METHODOLOGIE SYSTÈME Simulation Expérimentation1an 1h
  • 48. CONTENU • Expérimentation • Adsorption (chauffage) • Désorption (stockage) • Amélioration intégration système • Simulation • Système/Bâtiment • Résultats annuels • Consommations électriques auxiliaires
  • 49. PLATEFORMES EXPÉRIMENTALES Le Bourget-du-Lac CEA - INES Uniquement réacteur Arlon - ULiège Réacteur intégré au système Emulation Conditions reproductibles, stables et comparables
  • 50. SYSTÈME ULIÈGE • 1er prototype en taille réelle – 1 kW • Intégration système et bâtiment (ballon, émetteur) • Inclus stockage & transport de l’adsorbant • Configurations multiples • Système ouvert/fermé • Humidification • Récupération • Source froide
  • 51. CONFIGURATIONS PRINCIPALES Chauffage : boucle fermée Stockage : boucle ouverte
  • 52. EXPÉRIMENTATION SEMI-VIRTUELLE Chauffage : boucle fermée Stockage : boucle ouverte
  • 53. CHAUFFAGE - ADSORPTION • Conditions standards • Boucle d’air fermée • 2.15 kg adsorbant • 25°C retour chauffage • Pas de source froide (≤8°C) • Débit d’air: 250 m³/h • Flux de chaleur • Moy. réacteur: 600 W • Moy. utilisateur: 254 W • Durée: 47 min -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Heatflow[W] Time (day and hour) P.Air.Reactor(W) P.Wat.User(W)
  • 54. CHAUFFAGE - ADSORPTION • Conditions standards • Température moyenne • Sortie réacteur: 29 °C • Départ chauffage: 27.8 °C • Densité énergétique • Réacteur : 153 kWh/m³ • Utilisateur: 65 kW/m³ 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 32.00 Temperature[°C] Time (day and hour) T26(°C) T27(°C) TavgIn(°C) TavgOut(°C) Utilisateur Réacteur Réacteur Utilisateur
  • 55. CHAUFFAGE – ADSORPTION - BILAN 0 100 200 300 400 500 600 700 IN [Wh] OUT [Wh] Energie[Wh] Humidif. User Fan & CS HX inertia Reactor 42 % Réacteur Utilisateur Humidif.
  • 56. AMÉLIORATIONS POSSIBLES • Source froide • Plus chaude • En. Utilisateur/En. Réacteur = 70 % à 20°C • Préacteur,moy= 980 W • Utiliser l’air humide extrait du bâtiment par la VMC  boucle ouverte • Putilisateur = Préacteur * ηéchangeurs • Isolation du réacteur (tests à venir) • Récupération améliorée (échangeurs) Amélioration densité énergétique et flux de chaleur
  • 57. STOCKAGE - DÉSORPTION 0 20 40 60 80 100 60 70 80 90 Durée[min]-Efficacité[%] Température de l'eau pour la désorption [°C] Durée [min] Efficacité [%]
  • 59. MASSE DE SOLIDE 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Massedesolide[kg] Puissance réacteur [kW] Brussels Solid (kg) Vienna Solid (kg) Stockholm Solid (kg) Besoins inexistants pour Barcelone
  • 60. APPOINT CHAUFFAGE 0 50 100 150 200 250 300 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Appointchauffage[kWh] Puissance réacteur [kW] Brussels BU H (kWh) Vienna BU H (kWh) Stockholm BU H (kWh) Besoins inexistants pour Barcelone
  • 61. DIMENSIONNEMENT BRUXELLES 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Appointchauffage[kWh] Massedesolide[kg] Puissance réacteur [kW] Solid (kg) Appoint (kWh)Autonomie solaire (800 W) Prototype boucle fermée 250 W Estimation proto boucle ouverte 500 W
  • 62. TECHNOLOGIE CAPTEURS 0% 100% 200% 300% 400% 500% 600% 700% 800% 900% 1000% 15 20 25 30 Apportsolairespour stockagesaisonnier [%desbesoins] Surface capteur [m²] EFPC - 40° FPC - 40° ETC1 - 40° ETC 2 - 40° Prototype Capteurs plans inadaptés pour désorption à 85°C
  • 65. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES • Prototype actuel • OK pour maison passive • Habitation basse énergie: augmentation d’échelle • Couplage VMC prometteur • Optimiser tous les composants • Echangeurs: dimensionnement, isolation • Auxiliaires: transport, ventilateur, contrôle
  • 67. BE-SOL Aspects technico-économiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 1
  • 68. BE-SOL Aspects technico-économiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 2 Sous-systèmes Le système de stockage étudié et développé dans SOTHERCO comprend principalement 4 sous-systèmes: 1. Le réacteur et ses composants associés: échangeurs, conduits aérauliques, ventilateurs, régulation, … 2. Le système de transfert 3. Les réservoirs de stockage 4. Le matériau de stockage Le stockage transfère l’énergie qui lui est livrée avec un rendement dû aux pertes thermiques durant les transformations . Cependant les pertes d’énergie des réaction exo-endothermiques sont nulles dans le processus thermochimique. Le matériau composite de stockage dans son état anhydre ne perd pas d’énergie pour autant qu’il soit à l’abri de l’humidité!
  • 69. BE-SOL Aspects technico-économiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 3 Analyse du coût du transfert de l’énergie qui transite complètement dans le système Cette quantité d’énergie est la valeur nette utile délivrée à la sortie du système de stockage. Établissement du coût de transfert : données et paramètres 1) Investissement initial dans les 4 sous-systèmes 2) Cout de maintenance 3) Cout de consommation d’énergie auxiliaire 4) Valeurs résiduelles au terme de la durée de vie 5) Durée de vie des sous-systèmes 6) Quantité d’énergie en transit pendant la durée de vie
  • 70. BE-SOL Aspects technico-économiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 4 Analyse du coût du transfert de l’énergie qui transite complètement dans le système Paramètres qui influencent le plus de coût de transfert: Quantité d’énergie en transit pendant la durée de vie Prenons une capacité de stockage Cs (MJ ou kWh). Considérons que cette Cs est utilisée 10 fois/an et que la durée de vie estimée est de 25 ans. L’ensemble des coûts (1+2+3-4) est à diviser par 250. Si pour les mêmes coûts l’utilisation n’est que de 1 fois/an pendant même une durée augmentée de 30 ans, les coûts sont à diviser par 30 seulement. Donc quand dans le projet SOTHERCO on étudie le stockage inter saisonnier, on se situe économiquement dans la configuration la plus difficile
  • 71. BE-SOL Aspects technico-économiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 5 Calcul d’évaluation Capacité de stockage 2.500,00 kWh Volume stockage 17,61 m3 Masse composite 12.500,00 kg P max reacteur 3,00 kW Nb de cycle/an 1,00 Description taux valeur résiduelle Durée vie (y) Invest (€) Cout €/kWh transfert % Reacteur &HE…. 30 5.364 0,07 10% Système de transfert 30 3.377 0,05 6% Réservoirs stockage 30 3.859 0,05 7% Materiau de stockage 30 43.575 0,58 78% Valeur résiduelle Composite 0% 30 - - Total 56.174 0,75 100% Description taux valeur résiduelle Durée vie (y) Invest (€) Cout €/kWh transfert % Reacteur &HE…. 30 5.364 0,07 16% Système de transfert 30 3.377 0,05 10% Réservoirs stockage 30 3.859 0,05 11% Materiau de stockage 30 43.575 0,58 63% Valeur résiduelle Composite 50% 30 21.788- 0,29- Total 34.386 0,46 100%
  • 72. BE-SOL Aspects technico-économiques Réunion de clôture - Arlon ULg - 2017/09/20 6 Calcul d’évaluation Cas où le nombre de cycles/an est >1 (on n’est plus dans l’inter saisonnier!) On voit que le cout de transfert est réduit par 4. Capacité de stockage 166,67 kWh Volume stockage 1,17 m3 Masse composite 833,33 kg P max reacteur 3,00 kW Nb de cycle/an 15,00 Description taux valeur résiduelle Durée vie (y) Invest (€) Cout €/kWh transfert % Reacteur &HE…. 30 5.364 0,07 62% Système de transfert 30 1.126 0,02 13% Réservoirs stockage 30 772 0,01 9% Materiau de stockage 30 2.905 0,04 17% Valeur résiduelle Composite 50% 30 1.452- 0,02- Total 8.713 0,12 100%