TUDE ET CONCEPTION DUN CHANGEUR
THERMIQUE POUR UN SYST ME HYBRIDE
DE TYPE OLIEN-DIESEL-STOCKAGE DAIR
COMPRIM (JEDSAC)
PHASE 1 : RECHERCHE DU MOD LE
Rapport interne
Laboratoire de Recherche en nergie olienne
LREE-04 Octobre 2008
tudiant au baccalaur at en g nie m canique, Universit du Qu bec Rimouski, 300, all e des
ursulines, Rimouski (Qu bec), Canada, G5L 3A1, [email protected]
Jean-S bastien SAVARD
Laboratoire de Recherche en nergie olienne (LREE), Universit du Qu bec Rimouski, 300, all e des
ursulines, Rimouski (Qu bec), Canada, G5L 3A1, T l.: (418)-723-1986#1948,
Hussein IBRAHIM
Laboratoire de Recherche en nergie olienne (LREE), Universit du Qu bec Rimouski, 300 all e des
Ursulines, Rimouski (Qu bec), Canada, G5L 3A1, T l. : (418)-723-1986 #1460, [email protected]
Adrian ILINCA
1
TABLE DES MATI RES
TABLE DES MATI RES .............................................................................................................................. 2
LISTE DES FIGURES................................................................................................................................... 6
LISTE DES TABLEAUX ............................................................................................................................... 8
ABR VIATIONS ........................................................................................................................................... 9
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION................................................................................................................ 10
1.1 G N RALIT S ...................................................................................................................................... 10
1.2 PROBL MATIQUE.................................................................................................................................. 12
1.3 OBJECTIFS .......................................................................................................................................... 13
CHAPITRE 2 : CONFIGURATIONS DU SYST ME .................................................................................. 14
2.1 G N RALIT S ...................................................................................................................................... 14
2.2 CHARGEMENT...................................................................................................................................... 15
2.2.1 Chargement direct ..................................................................................................................................15
2.2.2 Chargement indirect ...............................................................................................................................16
2.2.3 Chargement d tourn ............................................................................................................................16
2.2.4 Chargement avec une pompe chaleur .............................................................................................17
2.2.5 Chargement avec dissipation ................................................................................................................17
2.2.6 Chargement avec stockage de chaleur et dissipation.......................................................................18
2.2.7 Chargement avec une machine de Carnot .........................................................................................18
2.3 D CHARGEMENT.................................................................................................................................. 19
2.3.1 D chargement direct en s rie ...............................................................................................................20
2.3.2 D chargement direct en parall le.........................................................................................................20
2.3.3 D chargement avec r cup ration de la chaleur des gaz d chappement dans le r servoir de
stockage thermique ..........................................................................................................................................21
2.3.4 MCP inclus dans le r servoir dair comprim .....................................................................................21
2.3.5 D chargement indirect avec un circuit caloporteur............................................................................22
2.3.6 D chargement avec deux circuits caloporteurs .................................................................................22
2.3.7 D chargement avec pompe chaleur .................................................................................................23
2.3.8 D chargement sans r servoir de stockage de chaleur .....................................................................24
2.4 CONFIGURATIONS MIXTES..................................................................................................................... 24
2.4.1 Configuration mixte 1 : Direct et s rie..................................................................................................25
2.4.2 Configuration mixte 2 : Direct et parall le ...........................................................................................25
2
2.4.3 Configuration mixte 3 : Direct avec r cup ration de gaz dans le r servoir de stockage de
chaleur ................................................................................................................................................................26
2.4.4 Configuration mixte 4 : R servoir dair comprim et de MCP jumel s............................................26
2.4.5 Configuration mixte 5 : Indirecte et s rie deux circuits caloporteurs............................................27
2.4.6 Configuration mixte 6 : Indirecte et s rie avec un circuit caloporteur .............................................27
2.4.7 Configuration mixte 7 : Indirecte et parall le deux circuits caloporteurs .....................................28
2.4.8 Configuration mixte 8 : Indirecte et parall le un circuit caloporteur .............................................28
2.4.9 Configuration mixte 9 : Pompe chaleur ............................................................................................29
2.4.10 Configuration mixte 10 : Pompe chaleur avec d chargement direct .........................................30
2.4.11 Configuration mixte 11 : Dissipation de la chaleur...........................................................................30
2.5 CHOIX DUNE CONFIGURATION .............................................................................................................. 31
2.5.1 Crit res de choix .....................................................................................................................................31
2.5.2 valuation et justifications des crit res................................................................................................32
2.5.3 Matrice de d cision globale ...................................................................................................................41
CHAPITRE 3 : STOCKAGE DE CHALEUR .............................................................................................. 42
3.1 G N RALIT S ...................................................................................................................................... 42
3.2 HISTORIQUE ........................................................................................................................................ 43
3.2.1 Dr. Telkes et la maison Dover...............................................................................................................44
3.2.2 Solar One .................................................................................................................................................45
3.3 M THODES DE STOCKAGE DE CHALEUR................................................................................................. 46
3.4 STOCKAGE PAR CHALEUR SENSIBLE ...................................................................................................... 46
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3.4.1 G n ralit s...............................................................................................................................................46
3.4.2 Mat riaux liquides ...................................................................................................................................47
3.4.2.1 Eau.......................................................................................................................................................47
3.4.2.2 Huiles ...................................................................................................................................................48
3.4.3 Mat riaux solides ....................................................................................................................................49
3.4.3.1 Roches, b ton et briques .....................................................................................................................49
3.4.3.2 M taux .................................................................................................................................................49
3.5 STOCKAGE PAR CHALEUR LATENTE ....................................................................................................... 50
3.5.1 G n ralit s...............................................................................................................................................50
3.5.1.1 MCP solide-solide ................................................................................................................................52
3.5.1.2 MCP liquide-gazeux .............................................................................................................................52
3.5.1.3 MCP solide-liquide ...............................................................................................................................52
3.5.2 MCP solide-liquide ..................................................................................................................................52
3.5.2.1 MCP Organiques..................................................................................................................................53
3.5.2.2 MCP Inorganiques................................................................................................................................54
3.5.2.3 Glace....................................................................................................................................................55
3.5.3 changeurs de chaleur ..........................................................................................................................56
3
3.5.3.1 Capsules sph riques............................................................................................................................56
3.5.3.2 Cylindres ..............................................................................................................................................57
3.5.3.3 Plaques planes.....................................................................................................................................58
3.6 CHOIX DUN MAT RIAU DE STOCKAGE.................................................................................................... 58
3.6.1 G n ralit s...............................................................................................................................................58
3.6.2 Crit res d valuation ...............................................................................................................................60
3.6.2.1 Efficacit ...............................................................................................................................................60
3.6.2.2 Co t......................................................................................................................................................61
3.6.2.3 Capacit calorifique..............................................................................................................................61
3.6.2.4 Autod charge.......................................................................................................................................61
3.6.2.5 Vitesse de restitution ............................................................................................................................62
3.6.2.6 Encombrement.....................................................................................................................................62
3.6.2.7 S curit et impacts sur lenvironnement...............................................................................................63
3.6.3 Comparaison des mat riaux de stockage sous forme sensible.......................................................63
3.6.5 Matrice de d cision globale ...................................................................................................................69
3.7 DIFFICULT S........................................................................................................................................ 70
3.8 HYBRIDATION....................................................................................................................................... 71
CHAPITRE 4 : CHANGEURS DE CHALEUR ......................................................................................... 72
4.1 G N RALIT S ...................................................................................................................................... 72
4.2 DESCRIPTION DES CHANGEURS DE CHALEUR SELON LA CLASSIFICATION PAR TYPE DE CONSTRUCTION ... 74
4.2.1 changeurs de chaleur tubulaires ........................................................................................................74
4.2.1.1 changeurs doubles tubes ................................................................................................................74
4.2.1.2 changeurs tubes et calandre...........................................................................................................75
4.2.1.3 changeurs serpentin et tubes..........................................................................................................76
4.2.2 changeurs de chaleur plaques ........................................................................................................78
4.2.2.1 changeurs joints tanches ..............................................................................................................78
4.2.2.2 changeurs plaques soud es ...........................................................................................................81
4.2.2.3 changeurs plaques h lico dales......................................................................................................82
4.2.2.4 changeurs lamelles .........................................................................................................................83
4.2.2.5 changeurs circuits imprim s ...........................................................................................................83
4.2.2.6 changeurs serpentin plaque externe............................................................................................84
4.2.3 changeurs de chaleur surface augment e....................................................................................85
4.2.3.1 changeurs plaques avec ailettes.....................................................................................................85
4.2.3.2 changeurs tubulaires avec ailettes.....................................................................................................86
4.2.4 changeurs de chaleur r g n ratifs rotatifs .......................................................................................89
4.3 FABRICANTS ........................................................................................................................................ 91
CHAPITRE 5 : CONCLUSION ET PERSPECTIVES ................................................................................. 92
BIBLIOGRAPHIE........................................................................................................................................ 93
4
ANNEXE A : SOUS-MATRICES DU CRIT RE DE SIMPLICIT .............................................................. 97
ANNEXE B : PROPRI T S THERMOPHYSIQUES DE MAT RIAUX..................................................... 99
ANNEXE C : MCP DISPONIBLE SUR LE MARCH .............................................................................. 101
5
LISTE DES FIGURES
Figure 1.1: Sch ma de principe du JEDSAC.............................................................................................. 11
Figure 1.2 : Sch ma de principe dun CAES coupl un stockage thermique .......................................... 12
Figure 2.1 : Configuration m canique du moteur diesel et de la turbine air ............................................ 15
Figure 2.2 : Chargement avec une configuration directe............................................................................ 16
Figure 2.3 : Chargement avec une configuration indirecte ......................................................................... 16
Figure 2.4 : Chargement avec une configuration d tourn e ...................................................................... 17
Figure 2.5 : Chargement avec une pompe chaleur ................................................................................. 17
Figure 2.6 : Chargement avec dissipation .................................................................................................. 18
Figure 2.7 : Chargement avec stockage de chaleur et dissipation ............................................................. 18
Figure 2.8 : Chargement avec une machine de Carnot.............................................................................. 19
Figure 2.9 : D chargement dune configuration directe en s rie ................................................................ 20
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Figure 2.10 : D chargement dune configuration directe en parall le ........................................................ 20
Figure 2.11 : D chargement avec r cup ration de la chaleur des gaz d chappement dans le r servoir de
stockage thermique..................................................................................................................................... 21
Figure 2.12 : MCP inclus dans le r servoir dair comprim ........................................................................ 21
Figure 2.13 : D chargement indirect avec un circuit caloporteur ............................................................... 22
Figure 2.14 : D chargement indirect avec deux circuits caloporteurs en s ries ........................................ 22
Figure 2.15 : D chargement indirect avec deux circuits caloporteurs en parall les .................................. 23
Figure 2.16 : D chargement avec pompe chaleur................................................................................... 23
Figure 2.17 : D chargement sans r servoir de stockage de chaleur ......................................................... 24
Figure 2.18 : Configuration mixte 1 Direct et s rie .................................................................................. 25
Figure 2.19 : Configuration mixte 2 Direct et parall le............................................................................. 25
Figure 2.20 : Configuration mixte 3 - Direct avec r cup ration des gaz dans le r servoir de stockage de
chaleur......................................................................................................................................................... 26
Figure 2.21 : Configuration mixte 4 R servoir dair comprim et de MCP jumel ................................... 26
Figure 2.22 : Configuration mixte 5 Indirecte et s rie deux circuits caloporteurs ................................. 27
Figure 2.23 : Configuration mixte 6 Indirecte et s rie avec un circuit caloporteur................................... 27
Figure 2.24 : Configuration mixte 7 Indirecte et parall le deux circuits caloporteurs ........................... 28
Figure 2.25 : Configuration mixte 8 Indirecte et parall le un circuit caloporteur................................... 29
Figure 2.26 : Configuration mixte 9 Pompe chaleur ............................................................................. 29
Figure 2.27 : Configuration mixte 10 Pompe chaleur avec d chargement direct................................. 30
Figure 2.28 : Configuration mixte 11 Dissipation de la chaleur ............................................................... 30
Figure 3.1 : Cha ne de conversion de l nergie n cessaire pour le stockage ............................................ 42
Figure 3.2 : Sch ma complet du syst me JEDSAC avec stockage de chaleur ......................................... 43
Figure 3.3 : Premi re maison utilisant des MCP comme stockage d nergie solaire................................. 45
Figure 3.4 : Stratification thermique dans un r servoir deau chaude ........................................................ 48
Figure 3.5 : Organigramme de conception dun ESECL............................................................................. 51
Figure 3.6 : Classification des MCP ............................................................................................................ 53
Figure 3.7 : Encapsulation de MCP ............................................................................................................ 54
Figure 3.8 : Configuration typique de capsules .......................................................................................... 54
Figure 3.9 : R servoir contenant des capsules de MCP mod lis par Hawlader ...................................... 57
Figure 3.10 : Sch ma dune configuration cylindrique contenant un MCP ................................................. 57
Figure 3.11: Sch ma dune configuration multiple cylindre ..................................................................... 57
Figure 3.12 : Sch ma dune configuration d changeur plaques minces ................................................ 58
Figure 3.13 : Deuxi me sch ma dune configuration d changeur plaques minces ............................... 58
Figure 3.14 : Exemples de MCP disponibles sur le march ....................................................................... 59
Figure 3.15 : Paraffine micro-encapsul e valu e par microscope lectron apr s diff rents cycles
thermiques................................................................................................................................................... 60
Figure 3.16 : Capacit calorifique dun ESECL durant deux cycles thermiques ........................................ 61
Figure 3.17 : Enthalpie sp cifique en fonction de la temp rature pour diff rents mat riaux, par unit de
masse (kJ/kg) gauche et par unit de volume (kJ/dm3) droite ............................................................. 63
6
Figure 4.1 : Classification des changeurs de chaleur ............................................................................... 73
Figure 4.2 : changeur de chaleur tubulaire double tube........................................................................ 75
Figure 4.3 : Calandre avec faisceaux tubulaires horizontaux (a), calandre avec passage de tube en U (b)
.................................................................................................................................................................... 75
Figure 4.4 : changeur de chaleur en serpentin......................................................................................... 76
Figure 4.5 : Embouts standards des changeurs de chaleur tube et calandre selon TEMA .................. 77
Figure 4.6 : changeur de chaleur plaques avec joint tanche et son b ti ............................................. 78
Figure 4.7 : Patrons de plaques communs ................................................................................................. 79
Figure 4.8 : changeur de chaleur plaques h lico dales........................................................................ 82
Figure 4.9 : changeur de chaleur lamelle (a), Section coup e de lamelles (b), Lamelles (c) ............... 83
Figure 4.10 : changeur circuits imprim s de Heatric ............................................................................. 84
Figure 4.11 : Plaque serpentin dun changeur serpentin plaque externe ........................................ 84
Figure 4.12 : Composantes de base dun changeur de chaleur plaques avec ailettes ......................... 85
Figure 4.13 : G om tries dailettes ondul es pour changeur de chaleur plaques : (a) triangulaire; (b)
rectangulaire; (c) ondul ; (d) bandes d cal es; (e) multiples vents; (f) trou es....................................... 86
Figure 4.14 : (a) Tubes ailettes simples; (b) ailettes plaques autour de tubes. Les ailettes sont plates,
mais pourraient tre ondul es, coup es ou vents. ................................................................................ 87
Figure 4.15 : Tubes ailettes simples ........................................................................................................ 87
Figure 4.16 : Trois configurations dailettes continues................................................................................ 88
Figure 4.17 : Tubes ailettes longitudinaux ............................................................................................... 88
Figure 4.18 : Tubes avec ailettes internes .................................................................................................. 88
Figure 4.19 : changeur de chaleur caloducs ......................................................................................... 89
Figure 4.20 : Principe dun caloduc............................................................................................................. 89
Figure 4.21 : Sch ma d'un changeur thermique rotatif r g n ratif ( gauche) et panier de lamelles (
droite) .......................................................................................................................................................... 90
7
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 2.1 : Num ro des configurations ................................................................................................... 32
Tableau 2.2 : Matrice partielle du crit re de simplicit ................................................................................ 33
Tableau 2.3 : Matrice partielle du crit re defficacit .................................................................................. 34
Tableau 2.4 : Matrice partielle du crit re de contraintes op rationnelles ................................................... 36
Tableau 2.5 : Matrice partielle du crit re de temps de r ponse.................................................................. 37
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Tableau 2.6 : Matrice partielle du crit re de co t........................................................................................ 39
Tableau 2.7 : Matrice partielle du crit re dencombrement......................................................................... 40
Tableau 2.8 : Matrice de d cision globale du choix de configuration ......................................................... 41
Tableau 3.1 : Avantages et inconv nients de leau comme stockeur de chaleur....................................... 48
Tableau 3.2 : Avantages et inconv nients de lhuile comme stockeur de chaleur ..................................... 48
Tableau 3.3 : Avantages et inconv nients de la roche, du b ton et des briques comme stockeur de
chaleur......................................................................................................................................................... 49
Tableau 3.4 : Avantages et inconv nients des m taux comme stockeur de chaleur................................. 50
Tableau 3.5 : R sum des trois types de MCP .......................................................................................... 52
Tableau 3.6 : Avantages et inconv nients des MCP organiques ............................................................... 54
Tableau 3.7 : Avantages et inconv nients des hydrates de sel.................................................................. 55
Tableau 3.8 : Avantages et inconv nients de la glace ............................................................................... 56
Tableau 3.9 : Matrice l mentaire du crit re defficacit du stockage sensible ......................................... 64
Tableau 3.10 : Matrice l mentaire du crit re de co t du stockage sensible............................................. 64
Tableau 3.11 : Matrice l mentaire du crit re de capacit calorifique du stockage sensible .................... 64
Tableau 3.12 : Matrice l mentaire du crit re dautod charge du stockage sensible................................ 65
Tableau 3.13 : Matrice l mentaire du crit re de vitesse de restitution du stockage sensible .................. 65
Tableau 3.14 : Matrice l mentaire du crit re dencombrement du stockage sensible ............................. 66
Tableau 3.15 : Matrice l mentaire du crit re de s curit pour lenvironnement du stockage sensible .... 66
Tableau 3.16 : Matrice l mentaire du crit re defficacit du stockage latent............................................ 67
Tableau 3.17 : Matrice l mentaire du crit re de co t du stockage latent ................................................. 67
Tableau 3.18 : Matrice l mentaire du crit re de capacit de stockage du stockage latent...................... 67
Tableau 3.19 : Matrice l mentaire du crit re dautod charge du stockage latent .................................... 68
Tableau 3.20 : Matrice l mentaire du crit re de la vitesse de restitution du stockage latent ................... 68
Tableau 3.21 : Matrice l mentaire du crit re dencombrement du stockage latent .................................. 69
Tableau 3.22 : Matrice l mentaire du crit re de s curit pour lenvironnement du stockage latent ........ 69
Tableau 3.23 : Matrice de d cision globale ................................................................................................ 70
Tableau 4.1 : Avantages et inconv nients dun changeur de chaleur doubles tubes ........................... 75
Tableau 4.2 : Avantages et inconv nients des changeurs de chaleur calandre et faisceaux tubulaires
horizontaux.................................................................................................................................................. 76
Tableau 4.3 : Avantages et inconv nients des changeurs de chaleur calandre et passage de tube en
U.................................................................................................................................................................. 76
Tableau 4.4 : Mat riaux utilis s pour des joints d tanch it des changeurs de chaleur ........................ 80
Tableau 4.5 : Points dop rations et g om tries typiques d changeur de chaleur plaques .................. 80
Tableau 4.6 : Avantages et inconv nients des changeurs de chaleurs plaques h lico dales............... 82
Tableau 4.7 : Fabricants d changeurs de chaleur..................................................................................... 91
Tableau A1 : Matrice de d cision du sous-crit re de simplicit de conception .......................................... 97
Tableau A2 : Matrice de d cision du sous-crit re de simplicit de fabrication ........................................... 97
Tableau A3 : Matrice de d cision du sous-crit re de simplicit de contr le............................................... 98
Tableau A4 : Matrice de d cision du sous-crit re de simplicit dexploitation............................................ 98
Tableau A5 : Sous-matrice de d cision du crit re de simplicit ................................................................. 98
Tableau B1 : Propri t s thermophysiques de mat riaux sensibles............................................................ 99
Tableau B2 : Propri t s thermophysiques g n rales de MCP................................................................... 99
Tableau B3 : Propri t s thermophysiques de certains acides gras ......................................................... 100
Tableau C1 : MCP disponibles commercialement .................................................................................... 102
8
ABR VIATIONS
C
CAES
Cp
Dr
E
Est
Eut
ESECL
GES
GWh
Kg
JED
JEDSAC
LREE
m
MCP
MIT
MJ
MPa
Pr
Psi
ST
T
TPE
UQAR
Publicité
Wh
Celsius
Rendement
Compressed Air Energy Storage
Chaleur sp cifique
Docteur
nergie
nergie stock e
nergie utile
l ment de Stockage d nergie par Chaleur Latente
Gaz Effet de Serre
GigaWatt Heure
Kilogramme
Jumelage olien-Diesel
Jumelage olien-Diesel avec Stockage dAir Compri
Laboratoire de Recherche en nergie olienne
Masse
Mat riau Changement de Phase
Massachusetts Institute of Technology
M ga Joule
M ga Pascal
Professeur
Livre par pouce carr
Stockage Thermique
Temp rature
Taux de P n tration en nergie olienne
Universit du Qu bec Rimouski
Watt Heure
9
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION
1.1 G n ralit s
Le Canada occupe un immense territoire et la population est extr mement parse. Plus de 200 000
personnes vivent dans plus de 300 communaut s isol es (Yukon, Nunavut, les&). Il faut ajouter cela
les nombreuses
installations
techniques
(tours et
relais de
t l communications, syst mes
m t orologiques), touristiques (pourvoiries, chalets, etc.), agricoles et piscicoles qui ne sont pas reli es
aux r seaux provinciaux ou nationaux de distribution et de transport d lectricit . Cela est d au fait quil
est techniquement trop complexe d tendre le r seau jusqu ces secteurs cause du co t lev des
lignes de transmission et des pertes li es la distribution de la puissance centralement d velopp e aux
r gions loign es . Ces communaut s (sites) isol es utilisent des moteurs diesel pour g n rer de
l lectricit . Cette m thode a des co ts prohibitifs en raison du prix lev du transport du carburant diesel
et elle est relativement inefficace, tr s dispendieuse et responsable de l mission de 1.2 million de tonnes
de gaz effet de serre (GES) annuellement .
De plus, lexploitation de ces r seaux se solde par un d ficit de lordre de centaines de millions de dollars
par ann e. titre dexemple, au Qu bec seul, Hydro-Qu bec estime environ 133 millions de dollars les
pertes subies chaque ann e pour lalimentation de 14000 abonn s r partis dans une quarantaine de
communaut s non reli es au r seau principal .
La plupart de ces communaut s sont situ es pr s de la c te et poss dent une bonne ressource olienne.
Une ressource olienne importante dans ces r seaux autonomes pourrait donc r duire le d ficit
dexploitation en privil giant le vent, un carburant local, plut t que le diesel, un carburant import .
Le Jumelage olien-Diesel (JED), d j utilis dans des communaut s nordiques au Yukon, Nunavut
et en Alaska, rencontre des obstacles r sultants des contraintes de fonctionnement des diesels qui
limitent l nergie olienne un niveau de p n tration trop faible pour en r aliser le plein potentiel. Ceci
force rejeter une quantit appr ciable de l nergie olienne . Lutilisation dun Jumelage
olien-Diesel Haute P n tration associ un dispositif de stockage maximise le taux de p n tration
en nergie olienne en profitant de l nergie exc dentaire, donne une puissance plus stable et permet
10
larr t complet des groupes diesel pendant que la production olienne est sup rieure la demande. Le
dispositif de stockage envisag doit tre assez dynamique et adaptable au syst me hybride afin quil soit
capable dagir en temps r el, en fonction des fluctuations de la puissance g n r e et consomm e . Pour cette raison, il a t propos dutiliser le jumelage olien-diesel avec stockage sous forme
dair comprim (JEDSAC) dans le cadre des syst mes nerg tiques. Cette fa on de concevoir
lint gration olienne maximise le pourcentage d nergie olienne dans l nergie annuelle totale (le TPE)
en profitant de l nergie olienne exc dentaire tout en amenant des conomies de carburant beaucoup
plus int ressant que les autres technologies. Ce syst me permet en plus de r duire l mission de GES et
permet dapporter des conomies sur lentretien et le co t de remplacement des diesels. La
suralimentation permettra aux diesels de d velopper une puissance sup rieure tout en r duisant la
consommation du carburant , . Lair comprim , n cess...