Etude d’un système de stockage d’énergie par compression d’air : modélisation numérique de l’écoulement et du transfert thermique dans un piston liquide

Le principe de piston liquide présente plusieurs avantages par rapport à l’utilisation d’un piston solide pour une utilisation dans un système de stockage d’énergie sous forme d’air comprimé. Dans ce contexte, le projet REMORA développé par Segula Technologies où le piston liquide est utilisé pour réaliser les processus compression (stockage) et détente (restitution) d’air comprimé dans l’objectif de stocker l’énergie mécanique de la mer. Les travaux sur la compréhension des phénomènes physiques liés à la compression/détente par piston liquide sont absents de la littérature scientifique. L’objectif de cette thèse est de modéliser numériquement la compression / détente par piston liquide. Initialement, la méthode LBM (Lattice Boltzmann Method) est utilisée mais n’a pu donner les résultats souhaités en raison de verrous scientifiques majeurs. Le choix a ensuite porté sur la résolution des équations de Navier- Stokes et la méthode VOF (Volume of Fluid) pour le suivi de l’interface. Les résultats du modèle numérique ont pu être comparés avec des études expérimentales ce qui a permis de les valider. La nature 3D de l’écoulement et la transition (du régime d’écoulement et de transferts thermiques) qui se produit au cours de la compression et de la détente ont pu être étudiés. Un modèle a ensuite développé pour prendre en compte l’effet de l’évolution de la température dans les parois sur l’écoulement et la température de l’air. Une étude paramétrique de ces processus a aussi été réalisée et a montré l’effet de certains paramètres sur l’évolution de la température et le rendement.The liquid piston principle has several advantages over the solid for a compressed air energy storage application. In this context, the REMORA project developed by Segula Technologies where the liquid piston is used to carry out the processes of compression (storage) and expansion (restitution) of compressed air with the objective of storing mechanical energy. Proper understanding of the physical phenomena related to the compression/expansion using a liquid piston are missing from the scientific literature. The objective of this thesis is to model numerically the compression / expansion processes using a liquid piston. Initially, the LBM method (Lattice Boltzmann Method) is used but could not give the expected results because of major scientific barriers. The choice was then made to solve the Navier-Stokes equations coupled to VOF (Volume of Fluid) method to track the water/air interface. The results of the numerical model have been compared with experimental ones which enabled to validate them. The 3D nature of the flow and the transition (of the flow and heat transfer regime) that occurs during compression and expansion have been highlighted. A model was then developed to take into account the effect of the temperature evolution of the solid walls on the flow. A parametric study of these processes was also carried out and showed the effect of some parameters on temperature evolution and process efficiency