Étude et Conception d’un Échangeur Thermique pour un Système Hybride de Type Éolien-Diesel-Stockage d’Air Comprimé (JEDSAC)

4.1 GÉNÉRALITÉS ...................................................................................................................................... 72 4.2 DESCRIPTION DES ÉCHANGEURS DE CHALEUR SELON LA CLASSIFICATION PAR TYPE DE CONSTRUCTION ... 74 4.2.1 Échangeurs de chaleur tubulaires ........................................................................................................74 4.2.1.1 Échangeurs à doubles tubes ................................................................................................................74 4.2.1.2 Échangeurs à tubes et calandre...........................................................................................................75 4.2.1.3 Échangeurs à serpentin et tubes..........................................................................................................76 4.2.2 Échangeurs de chaleur à plaques ........................................................................................................78 4.2.2.1 Échangeurs à joints étanches ..............................................................................................................78 4.2.2.2 Échangeurs à plaques soudées ...........................................................................................................81 4.2.2.3 Échangeurs à plaques hélicoïdales......................................................................................................82 4.2.2.4 Échangeurs à lamelles .........................................................................................................................83 4.2.2.5 Échangeurs à circuits imprimés ...........................................................................................................83 4.2.2.6 Échangeurs à serpentin à plaque externe............................................................................................84 4.2.3 Échangeurs de chaleur à surface augmentée....................................................................................85 4.2.3.1 Échangeurs à plaques avec ailettes.....................................................................................................85 4.2.3.2 Échangeurs tubulaires avec ailettes.....................................................................................................86 4.2.4 Échangeurs de chaleur régénératifs rotatifs .......................................................................................89 4.3 FABRICANTS ........................................................................................................................................ 91

CHAPITRE 5 : CONCLUSION ET PERSPECTIVES ................................................................................. 92

BIBLIOGRAPHIE........................................................................................................................................ 93

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ANNEXE A : SOUS-MATRICES DU CRITÈRE DE SIMPLICITÉ.............................................................. 97

ANNEXE B : PROPRIÉTÉS THERMOPHYSIQUES DE MATÉRIAUX..................................................... 99

ANNEXE C : MCP DISPONIBLE SUR LE MARCHÉ .............................................................................. 101

5

LISTE DES FIGURES

Figure 1.1: Schéma de principe du JEDSAC.............................................................................................. 11 Figure 1.2 : Schéma de principe d’un CAES couplé à un stockage thermique .......................................... 12 Figure 2.1 : Configuration mécanique du moteur diesel et de la turbine à 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 détournée ...................................................................... 17 Figure 2.5 : Chargement avec une pompe à 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 : Déchargement d’une configuration directe en série ................................................................ 20 Figure 2.10 : Déchargement d’une configuration directe en parallèle ........................................................ 20 Figure 2.11 : Déchargement avec récupération de la chaleur des gaz d’échappement dans le réservoir de stockage thermique..................................................................................................................................... 21 Figure 2.12 : MCP inclus dans le réservoir d’air comprimé ........................................................................ 21 Figure 2.13 : Déchargement indirect avec un circuit caloporteur ............................................................... 22 Figure 2.14 : Déchargement indirect avec deux circuits caloporteurs en séries ........................................ 22 Figure 2.15 : Déchargement indirect avec deux circuits caloporteurs en parallèles .................................. 23 Figure 2.16 : Déchargement avec pompe à chaleur................................................................................... 23 Figure 2.17 : Déchargement sans réservoir de stockage de chaleur ......................................................... 24 Figure 2.18 : Configuration mixte 1 – Direct et série .................................................................................. 25 Figure 2.19 : Configuration mixte 2 – Direct et parallèle............................................................................. 25 Figure 2.20 : Configuration mixte 3 - Direct avec récupération des gaz dans le réservoir de stockage de chaleur......................................................................................................................................................... 26 Figure 2.21 : Configuration mixte 4 – Réservoir d’air comprimé et de MCP jumelé................................... 26 Figure 2.22 : Configuration mixte 5 – Indirecte et série à deux circuits caloporteurs ................................. 27 Figure 2.23 : Configuration mixte 6 – Indirecte et série avec un circuit caloporteur................................... 27 Figure 2.24 : Configuration mixte 7 – Indirecte et parallèle à deux circuits caloporteurs ........................... 28 Figure 2.25 : Configuration mixte 8 – Indirecte et parallèle à un circuit caloporteur................................... 29 Figure 2.26 : Configuration mixte 9 – Pompe à chaleur ............................................................................. 29 Figure 2.27 : Configuration mixte 10 – Pompe à chaleur avec déchargement direct................................. 30 Figure 2.28 : Configuration mixte 11 – Dissipation de la chaleur ............................................................... 30 Figure 3.1 : Chaîne de conversion de l’énergie nécessaire pour le stockage ............................................ 42 Figure 3.2 : Schéma complet du système JEDSAC avec stockage de chaleur ......................................... 43 Figure 3.3 : Première maison utilisant des MCP comme stockage d’énergie solaire................................. 45 Figure 3.4 : Stratification thermique dans un réservoir d’eau chaude ........................................................ 48 Figure 3.5 : Organigramme de conception d’un 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 : Réservoir contenant des capsules de MCP modélisé par Hawlader ...................................... 57 Figure 3.10 : Schéma d’une configuration cylindrique contenant un MCP ................................................. 57 Figure 3.11: Schéma d’une configuration à multiple cylindre ..................................................................... 57 Figure 3.12 : Schéma d’une configuration d’échangeur à plaques minces ................................................ 58 Figure 3.13 : Deuxième schéma d’une configuration d’échangeur à plaques minces ............................... 58 Figure 3.14 : Exemples de MCP disponibles sur le marché ....................................................................... 59 Figure 3.15 : Paraffine micro-encapsulée évaluée par microscope à électron après différents cycles thermiques................................................................................................................................................... 60 Figure 3.16 : Capacité calorifique d’un ESECL durant deux cycles thermiques ........................................ 61 Figure 3.17 : Enthalpie spécifique en fonction de la température pour différents matériaux, par unité de masse (kJ/kg) à gauche et par unité de volume (kJ/dm3) à droite ............................................................. 63

6

Figure 4.1 : Classification des échangeurs de chaleur ............................................................................... 73 Figure 4.2 : Échangeur de chaleur tubulaire à double tube........................................................................ 75 Figure 4.3 : Calandre avec faisceaux tubulaires horizontaux (a), calandre avec passage de tube en U (b) .................................................................................................................................................................... 75 Figure 4.4 : Échangeur de chaleur en serpentin......................................................................................... 76 Figure 4.5 : Embouts standards des échangeurs de chaleur à tube et calandre selon TEMA .................. 77 Figure 4.6 : Échangeur de chaleur à plaques avec joint étanche et son bâti ............................................. 78 Figure 4.7 : Patrons de plaques communs ................................................................................................. 79 Figure 4.8 : Échangeur de chaleur à plaques hélicoïdales........................................................................ 82 Figure 4.9 : Échangeur de chaleur à lamelle (a), Section coupée de lamelles (b), Lamelles (c) ............... 83 Figure 4.10 : Échangeur à circuits imprimés de Heatric ............................................................................. 84 Figure 4.11 : Plaque à serpentin d’un échangeur à serpentin à plaque externe ........................................ 84 Figure 4.12 : Composantes de base d’un échangeur de chaleur à plaques avec ailettes ......................... 85 Figure 4.13 : Géométries d’ailettes ondulées pour échangeur de chaleur à plaques : (a) triangulaire; (b) rectangulaire; (c) ondulé; (d) bandes décalées; (e) multiples évents; (f) trouées....................................... 86 Figure 4.14 : (a) Tubes à ailettes simples; (b) ailettes plaques autour de tubes. Les ailettes sont plates, mais pourraient être ondulées, coupées ou à évents. ................................................................................ 87 Figure 4.15 : Tubes à ailettes simples ........................................................................................................ 87 Figure 4.16 : Trois configurations d’ailettes continues................................................................................ 88 Figure 4.17 : Tubes à ailettes longitudinaux ............................................................................................... 88 Figure 4.18 : Tubes avec ailettes internes .................................................................................................. 88 Figure 4.19 : Échangeur de chaleur à caloducs ......................................................................................... 89 Figure 4.20 : Principe d’un caloduc............................................................................................................. 89 Figure 4.21 : Schéma d'un échangeur thermique rotatif régénératif (à gauche) et panier de lamelles (à droite) .......................................................................................................................................................... 90

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LISTE DES TABLEAUX

Tableau 2.1 : Numéro des configurations ................................................................................................... 32 Tableau 2.2 : Matrice partielle du critère de simplicité................................................................................ 33 Tableau 2.3 : Matrice partielle du critère d’efficacité .................................................................................. 34 Tableau 2.4 : Matrice partielle du critère de contraintes opérationnelles ................................................... 36 Tableau 2.5 : Matrice partielle du critère de temps de réponse.................................................................. 37 Tableau 2.6 : Matrice partielle du critère de coût........................................................................................ 39 Tableau 2.7 : Matrice partielle du critère d’encombrement......................................................................... 40 Tableau 2.8 : Matrice de décision globale du choix de configuration ......................................................... 41 Tableau 3.1 : Avantages et inconvénients de l’eau comme stockeur de chaleur....................................... 48 Tableau 3.2 : Avantages et inconvénients de l’huile comme stockeur de chaleur ..................................... 48 Tableau 3.3 : Avantages et inconvénients de la roche, du béton et des briques comme stockeur de chaleur......................................................................................................................................................... 49 Tableau 3.4 : Avantages et inconvénients des métaux comme stockeur de chaleur................................. 50 Tableau 3.5 : Résumé des trois types de MCP .......................................................................................... 52 Tableau 3.6 : Avantages et inconvénients des MCP organiques ............................................................... 54 Tableau 3.7 : Avantages et inconvénients des hydrates de sel.................................................................. 55 Tableau 3.8 : Avantages et inconvénients de la glace ............................................................................... 56 Tableau 3.9 : Matrice élémentaire du critère d’efficacité du stockage sensible ......................................... 64 Tableau 3.10 : Matrice élémentaire du critère de coût du stockage sensible............................................. 64 Tableau 3.11 : Matrice élémentaire du critère de capacité calorifique du stockage sensible .................... 64 Tableau 3.12 : Matrice élémentaire du critère d’autodécharge du stockage sensible................................ 65 Tableau 3.13 : Matrice élémentaire du critère de vitesse de restitution du stockage sensible .................. 65 Tableau 3.14 : Matrice élémentaire du critère d’encombrement du stockage sensible ............................. 66 Tableau 3.15 : Matrice élémentaire du critère de sécurité pour l’environnement du stockage sensible .... 66 Tableau 3.16 : Matrice élémentaire du critère d’efficacité du stockage latent............................................ 67 Tableau 3.17 : Matrice élémentaire du critère de coût du stockage latent ................................................. 67 Tableau 3.18 : Matrice élémentaire du critère de capacité de stockage du stockage latent...................... 67 Tableau 3.19 : Matrice élémentaire du critère d’autodécharge du stockage latent .................................... 68 Tableau 3.20 : Matrice élémentaire du critère de la vitesse de restitution du stockage latent ................... 68 Tableau 3.21 : Matrice élémentaire du critère d’encombrement du stockage latent .................................. 69 Tableau 3.22 : Matrice élémentaire du critère de sécurité pour l’environnement du stockage latent ........ 69 Tableau 3.23 : Matrice de décision globale ................................................................................................ 70 Tableau 4.1 : Avantages et inconvénients d’un échangeur de chaleur à doubles tubes ........................... 75 Tableau 4.2 : Avantages et inconvénients des échangeurs de chaleur à calandre et faisceaux tubulaires horizontaux.................................................................................................................................................. 76 Tableau 4.3 : Avantages et inconvénients des échangeurs de chaleur à calandre et passage de tube en U.................................................................................................................................................................. 76 Tableau 4.4 : Matériaux utilisés pour des joints d’étanchéité des échangeurs de chaleur ........................ 80 Tableau 4.5 : Points d’opérations et géométries typiques d’échangeur de chaleur à plaques .................. 80 Tableau 4.6 : Avantages et inconvénients des échangeurs de chaleurs à plaques hélicoïdales............... 82 Tableau 4.7 : Fabricants d’échangeurs de chaleur..................................................................................... 91 Tableau A1 : Matrice de décision du sous-critère de simplicité de conception .......................................... 97 Tableau A2 : Matrice de décision du sous-critère de simplicité de fabrication ........................................... 97 Tableau A3 : Matrice de décision du sous-critère de simplicité de contrôle............................................... 98 Tableau A4 : Matrice de décision du sous-critère de simplicité d’exploitation............................................ 98 Tableau A5 : Sous-matrice de décision du critère de simplicité ................................................................. 98 Tableau B1 : Propriétés thermophysiques de matériaux sensibles............................................................ 99 Tableau B2 : Propriétés thermophysiques générales de MCP................................................................... 99 Tableau B3 : Propriétés thermophysiques de certains acides gras ......................................................... 100 Tableau C1 : MCP disponibles commercialement .................................................................................... 102

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ABRÉVIATIONS

°C η CAES Cp Dr E Est Eut ESECL GES GWh Kg JED JEDSAC LREE m MCP MIT MJ MPa Pr Psi ST T TPE UQAR Wh

Celsius Rendement Compressed Air Energy Storage Chaleur spécifique Docteur Énergie Énergie stockée Énergie utile Élément de Stockage d’Énergie par Chaleur Latente Gaz à Effet de Serre GigaWatt Heure Kilogramme Jumelage Éolien-Diesel Jumelage Éolien-Diesel avec Stockage d’Air Comprié Laboratoire de Recherche en Énergie Éolienne Masse Matériau à Changement de Phase Massachusetts Institute of Technology Méga Joule Méga Pascal Professeur Livre par pouce carré Stockage Thermique Température Taux de Pénétration en énergie Éolienne Université du Québec À Rimouski Watt Heure

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CHAPITRE 1 : INTRODUCTION

1.1 Généralités

Le Canada occupe un immense territoire et la population est extrêmement éparse. Plus de 200 000

personnes vivent dans plus de 300 communautés isolées (Yukon, Nunavut, Ïles…). Il faut ajouter à cela

les nombreuses

installations

techniques

(tours et

relais de

télécommunications, systèmes

météorologiques), touristiques (pourvoiries, chalets, etc.), agricoles et piscicoles qui ne sont pas reliées

aux réseaux provinciaux ou nationaux de distribution et de transport d’électricité. Cela est dû au fait qu’il

est techniquement trop complexe d’étendre le réseau jusqu’à ces secteurs à cause du coût élevé des

lignes de transmission et des pertes liées à la distribution de la puissance centralement développée aux

régions éloignées [LIU]. Ces communautés (sites) isolées utilisent des moteurs diesel pour générer de

l’électricité. Cette méthode a des coûts prohibitifs en raison du prix élevé du transport du carburant diesel

et elle est relativement inefficace, très dispendieuse et responsable de l’émission de 1.2 million de tonnes

de gaz à effet de serre (GES) annuellement [ILI 2007].

De plus, l’exploitation de ces réseaux se solde par un déficit de l’ordre de centaines de millions de dollars

par année. À titre d’exemple, au Québec seul, Hydro-Québec estime à environ 133 millions de dollars les

pertes subies chaque année pour l’alimentation de 14000 abonnés répartis dans une quarantaine de

communautés non reliées au réseau principal [MRNF].

La plupart de ces communautés sont situées près de la côte et possèdent une bonne ressource éolienne.

Une ressource éolienne importante dans ces réseaux autonomes pourrait donc réduire le déficit

d’exploitation en privilégiant le vent, un carburant local, plutôt que le diesel, un carburant importé [REI

1997].

Le « Jumelage Éolien-Diesel » (JED), déjà utilisé dans des communautés nordiques au Yukon, Nunavut

et en Alaska, rencontre des obstacles résultants des contraintes de fonctionnement des diesels qui

limitent l’énergie éolienne à un niveau de pénétration trop faible pour en réaliser le plein potentiel. Ceci

force à rejeter une quantité appréciable de l’énergie éolienne [IBR 2007]. L’utilisation d’un « Jumelage

Éolien-Diesel à Haute Pénétration associé à un dispositif de stockage » maximise le taux de pénétration

en énergie éolienne en profitant de l’énergie excédentaire, donne une puissance plus stable et permet

10

l’arrêt complet des groupes diesel pendant que la production éolienne est supérieure à la demande. Le

dispositif de stockage envisagé doit être assez dynamique et adaptable au système hybride afin qu’il soit

capable d’agir en temps réel, en fonction des fluctuations de la puissance générée et consommée [IBRA

2007]. Pour cette raison, il a été proposé d’utiliser le jumelage éolien-diesel avec stockage sous forme

d’air comprimé (JEDSAC) dans le cadre des systèmes énergétiques. Cette façon de concevoir

l’intégration éolienne maximise le pourcentage d’énergie éolienne dans l’énergie annuelle totale (le TPE)

en profitant de l’énergie éolienne excédentaire tout en amenant des économies de carburant beaucoup

plus intéressant que les autres technologies. Ce système permet en plus de réduire l’émission de GES et

permet d’apporter des économies sur l’entretien et le coût de remplacement des diesels. La

suralimentation permettra aux diesels de développer une puissance supérieure tout en réduisant la

consommation du carburant [IBR 2007], [IBRAH 2007]. L’air comprimé, nécessaire à la suralimentation,

est obtenu avec l’énergie excédentaire fournie par l’éolienne. La figure 1.1 illustre le schéma de principe

du système de stockage [ILI 2007].

Figure 1.1: Schéma de principe du JEDSAC

11

1.2 Problématique

La technologie CAES1 est efficace (65-75%), dynamique, bon marché et a une durée de vie quasi

illimitée. Ce jumelage qui, combiné avec une suralimentation des moteurs diesel aura comme effet

l’augmentation du taux de pénétration de l’énergie éolienne (TPE). Ainsi, durant les périodes de fort vent, le surplus de l’énergie éolienne2 est utilisé pour comprimer l’ai avec un compresseur. L’air comprimé est

refroidi avant de le stocker dans un réservoir conçu pour cette raison, afin de pouvoir diminuer le volume de stockage et par conséquent le coût du système. Durant les périodes de vent faible3, l’air comprimé

relâché du réservoir traverse un détendeur situé entre le réservoir et le moteur diesel. Ceci permet de

diminuer la pression de l’air comprimé afin qu’il soit adaptable au niveau du système d’admission du moteur. À la sortie du détendeur, l’air comprimé subira une grande chute de température4. Cela

nécessitera un préchauffage afin d’éviter la formation de givre dans la conduite. L’air comprimé

préchauffé sert ensuite à suralimenter le moteur diesel en permettant l’augmentation de sa puissance, de

son rendement et la diminution de la consommation de combustible.

Plusieurs techniques pour refroidir l’air comprimé (pendant le stockage) et le chauffer (pendant la

décharge) existent et elles sont basées sur le stockage thermique sensible, latent, les échangeurs

thermiques ou sur une technologie qui combine les deux et jouent le rô