Thermocline thermal storage integration to energy processes

Le principal obstacle à la valorisation de chaleur fatale industrielle et au développement des énergies renouvelables est un éventail très réduit de solutions de stockage, permettant de pallier le déphasage entre production et consommation. Cette thèse propose l’intégration à ces procédés énergétiques d’un stockage thermocline couplé à des convertisseurs (power to heat, heat to power) afin d’améliorer et de diversifier les services énergétiques rendus, et ainsi favoriser l’essor d’une solution de stockage robuste et à bas coût.Mêlant un fort intérêt à la fois académique et industriel (TRL 8 à 9), une campagne expérimentale a été menée sur l’Eco-Stock, première unité industrielle développée par Eco-Tech Ceram (start-up issue de PROMES). Cette unité échelle 1 possède une géométrie horizontale atypique, favorisant son intégration industrielle. La campagne expérimentale a ainsi permis de valider les performances du 1er stockage thermoclinedéveloppé pour la valorisation de chaleur industrielle. D’autres essais d’intérêt académique ont également pu être menés sur le stockage lors de conditions de fonctionnement dégradées (variation de température, débit, stand-by) afin d’évaluer la robustesse de la technologie à échelle industrielle. Les limites de la conception et de l’utilisation de cette solution de stockage ont aussi été identifiées. L’ensemble de ces essais a permis la validation d’un modèle numérique complet, ainsi que le développement de modèles réduits permettant de faciliter le dimensionnement du stockage et son optimisation.Le stockage thermique couplé à des convertisseurs peut être une technologie clef pour diversifier certains services liés au réseau électrique, comme la conversion de surproduction d’électricité renouvelable en chaleur haute température (power to heat), ou la conversion de chaleur fatale en électricité (heat to power). Pour chaque type de service rendu, un cas réel provenant de gisements industriels est proposé afin de réaliser une étude technique, mettant en avant les contraintes propres au dimensionnement ou au pilotage du stockage et des convertisseurs. L’ensemble de ces études techniques aboutit à une mise en perspective économique afin d’évaluer la viabilité de ces procédés dans une démarche de développement durable. La pertinence de l’intégration d’un stockage à un réseau multi-énergie est ainsi mise en évidence.The main obstacle to waste heat recovery and to the development of renewable energies is a lack of storage solutions, which enable to solve the mismatch between production and consumption of energy. This PhD offers to integrate a thermocline thermal storage coupled with energy converter (heat to power, power to heat) to those energy processes to order to improve and diversify the range of energy services available, and therefore enhance the expansion of a robust and low cost solution.Mixing both academic and industrial interest (TRL 8 to 9), an experimental campaignhas be led on the Eco-Stock, the first industrial unit developed by Eco-Tech Ceram (Startup originating from CNRS PROMES). This scale 1 unit has an original horizontal geometry, favoring an industrial plug and play system. This experimental campaign enabled to validate to performances of the first thermocline storage developed for waste heat recovery. Other tests of academic interest were also carried out with degraded operating conditions (temperature and flowrate variations, stand-by periods) to assess the robustness of the technology to an industrial level. The limits of the storage regarding conception and usage were also identified. All these experimental tests enable to validate a comprehensive numerical model, but also reduced models to facilitate the storage sizing and optimization.Thermal storage coupled with energy converters can be a key technology to diversify energy services regarding electricity network, such as the conversion of electricity over production from renewable to high temperature heat (power to heat), or the conversion of waste heat to electricity (heat to power). For each service, an industrial case is proposed to carry a technical study out, to showcase the sizing or operating constraints regarding to the storage. These studies result in an economic perspective to assess the viability of those processes into a sustainable growth. The storage integration relevance to an multi energy network is highlighted