Study and modeling of regenerative solid/fluid heat storage systems

Cette étude porte sur les systèmes de stockage thermique régénératif dont le principe consiste à stocker de l’énergie sous forme de chaleur sensible dans un lit fixe. Le système est chargé et déchargé à l’aide d’un fluide caloporteur circulant à travers le lit fixe. Ce type de système est prometteur pour réduire le coût des infrastructures de stockage, par exemple dans les centrales solaires thermodynamiques. Cependant, le pilotage de ces systèmes est relativement complexe car leur fonctionnement est régi par divers phénomènes et met en jeux plusieurs modes de transfert de chaleur. Leur identification a permis de développer un modèle numérique monodimensionnel constitué d’une équation de continuité et de trois équations d’énergie : une pour le fluide caloporteur, une pour le solide du lit fixe et une pour les parois du réservoir. Les études expérimentales réalisées sur trois systèmes différents (un système huile/roches+sable, un système gaz/roches et un système gaz/céramique structuré en canaux), ainsi que des résultats issus de la littérature ont permis de valider le modèle proposé dans une large gamme de configurations. Le modèle s’avère notamment capable de traiter les fluides caloporteurs liquides ou gazeux et les lits fixes structurés en canaux ou constitués de milieux granulaires à granulométrie simple ou double.This study deals with regenerative heat storage systems which aim to store sensible heat in a packed bed. The system is charged and discharged thanks to a heat transfer fluid which circulates through the packed bed. This kind of system is promising to reduce the cost of heat storage facilities, for example in concentrated solar power plants. However, the operation of these systems is relatively complex because their thermal behavior is governed by several phenomena and heat transfer modes. Thanks to the identification of these mechanisms, a one-dimensional numerical model consisting of one continuity equation and three energy conservation equations has been developed. There is one energy equation for the heat transfer fluid, one for the packed bed and one for the walls of the tank. The experimental studies carried out on three different systems (an oil/rock+sand system, a gas/rock system and a structured gas/ceramic system) and experimental results from the literature have enabled to validate the model in various configurations. The model is able to deal with liquid or gaseous heat transfer fluids and with structured packed beds with channels or granular packed beds with uniformly sized particles or particles of two different sizes