Stockage d'énergie solaire par absorption: expérimentation et modélisation du procédé

Environmental concerns related to energy consumption and greenhouse gas emissions have grown in recent years due to the impact they have on the global earth temperature, estimated to increase in 3.1°C by the year 2100 with respect to pre-industrial temperatures. Renewable energy systems have gained the society interest since they can produce thermal heat and electricity without generation of greenhouse gases and can use the sun as an inexhaustible energy source. Due to the inner difficulty to match the solar energy production with the energy demands, a scientific effort to develop heat storage technologies has been carried out during the last years; in particular, technologies capable of storing the heat for long periods. In this thesis a system capable of inter-seasonal solar heat storage, dedicated to building space heating applications and based on the sorption process is proposed. Its working principle is based, respectively, in the storage or restitution of heat during summer or winter trough the desorption or absorption of an aqueous solution. A review of the state of the art of similar experimental systems constructed during the last 5 years and based on the sorption phenomenon on four aqueous solutions was developed. The importance of a good design of the reactor was highlighted. A detailed and original simulation model of the components of the interseasonal heat storage system, particularly of the heat and mass exchangers inside the reactor (absorber, desorber, evaporator and condenser), was developed and proposed. The LiBr-H2O working couple was selected for this research, since its physical properties are widely characterized in the literature. A validation of the model against experimental results from other studies was performed, with good agreements obtained. Furthermore, a parametrical study of the working conditions influence on the system performance was carried out. Based on this study, a system experimental prototype was constructed and tested in operating conditions compatible with the space heating needs of a dwelling. Charging and discharging processes were proven to be successful with measured powers between 1 and 2 kW and between 0.6 and 1.5 kW, respectively. The system heat storage capacity measured was between 109 and 120 kWh/m3. A comparison of the model against the prototype experimental results, as well as the study of the simulated behavior of the interseasonal heat storage system when coupled to a dwelling for a two years’ period were performed and discussed.Les préoccupations environnementales liées à la consommation d’énergie et aux émissions de gaz à effet de serre ne cessent d’augmenter. Leur impact devrait conduire à une augmentation de 3.1°C de la température terrestre d’ici 2100 par rapport aux niveaux préindustriels. Les systèmes mettant en oeuvre les énergies renouvelables ont attiré l’intérêt de la société, du fait de leur très faible impact sur l’effet de serre et l’utilisation du soleil comme source inépuisable d’énergie. La difficulté de faire coïncider la disponibilité de l’énergie solaire avec la consommation de chaleur a conduit la communauté scientifique à porter une attention particulière aux technologies de stockage de chaleur au cours des dernières années, en particulier en ce qui concerne les technologies capables de stocker la chaleur pendant de longues périodes. Dans cette thèse, un système capable de stockage intersaisonnier de l’énergie solaire thermique appliqué au chauffage des bâtiments et mettant en oeuvre un procédé par absorption est proposé. Son mode de fonctionnement est basé, respectivement, sur le stockage de la chaleur pendant l’été et sa restitution en hiver à l’aide d’une solution aqueuse absorbante. Un état de l’art des systèmes à absorption similaires développés et expérimentés durant ces 5 dernières années a été réalisé. L’importance d’une bonne conception du réacteur constitue un point clef. Un modèle original simulant le comportement des composants du système de stockage intersaisonnier a été développé. Il a permis de dimensionner un prototype mettant en oeuvre le couple LiBr-H2O. Une validation du modèle a été faite sur la base des résultats expérimentaux obtenus ainsi qu’avec des comparaisons à d`autres résultats de la littérature. Une étude paramétrique de l’influence des conditions de fonctionnement sur la performance du système a été menée avec des conditions opératoires correspondant aux besoins de chauffage d’une maison individuelle. Les expérimentations en phase de charge et de décharge ont été menées et des puissances comprises respectivement entre 1 et 2 kW et entre 0.6 et 1.5 kW ont été obtenues. Une densité énergétique de stockage de chaleur comprise entre 109 et 120 kWh/m3 a été obtenue. Une simulation du fonctionnement d’un système de stockage de chaleur intersaisonnier couplé à une maison individuelle pendant une période de 2 ans a été réalisée et discutée