Etude expérimentale et numérique d'un stockage thermique par matériau à changement de phase avec deux circuits caloporteurs

La chaleur représente 50% de la consommation d'énergie en Europe et reste encore très largement produite à partir d'énergies fossiles (75%). Le stockage thermique est un composant-clé dans la décarbonation de la production de chaleur en permettant de dé-corréler la production de la consommation et ainsi de mieux intégrer les énergies renouvelables comme la biomasse, le solaire thermique ou la récupération de chaleur fatale. La technologie de stockage par matériaux à changement de phase (MCP) est particulièrement adaptée aux applications où l'encombrement est une contrainte importante et où la différence de température entre la source chaude et la source froide est faible. Par ailleurs, des développements ont mis en lumière la pertinence des systèmes de stockages à deux circuits caloporteurs distincts, le premier pour le stockage de la chaleur et le second pour la restitution de l'énergie. Un tel composant a aussi la capacité de charger et décharger simultanément le stockage. Ces caractéristiques sont utiles notamment pour les applications de production d'hydrogène par électrolyse à haute température, les systèmes dits « batteries de Carnot », le solaire thermique pour l'industrie ou les réseaux de chaleur urbains. Ce travail de thèse contribue au développement de ce type de composants mettant en œuvre des technologies d'échangeur tubes-et-calandre, les fluides caloporteurs pouvant être monophasiques ou diphasiques. Il propose des modélisations simplifiées des transferts de chaleur entre le fluide caloporteur et le MCP dans différentes configurations, à l'échelle système, sur des cycles complets de charge et décharge. Les résultats des modèles sont comparés à des résultats expérimentaux, dans le but de développer un outil numérique de dimensionnement et d'aide au pilotage de ces systèmes.La modélisation a été réalisée avec le logiciel commercial DYMOLA. Le modèle est présenté dans la première partie. Les transferts thermiques entre les tubes ailettés et le matériau à changement de phase ainsi que la description des échanges convectifs monophasiques et diphasiques entre le fluide caloporteur et le tube font l'objet d'une attention particulière.Un premier modèle est développé décrivant les transferts entre un fluide caloporteur monophasique circulant dans des tubes ailettés de section annulaire et le MCP entourant ces tubes. Le modèle est validé par comparaison à des résultats expérimentaux obtenus sur le prototype Flaubert implanté en sous-station d'un réseau de chaleur. L'analyse des résultats a permis de souligner l'importance de la résistance convective entre le fluide caloporteur et la paroi ainsi que l'impact du collecteur amont sur les performances globales du système.Un second modèle aborde les échangeurs tubes-et-calandre mettant en œuvre des fluides caloporteurs diphasiques en ébullition au sein des tubes, et transférant leur chaleur au MCP au travers d'ailettes et d'inserts verticaux. Le modèle est validé au travers de résultats expérimentaux obtenus sur le prototype InPower développé au CEA. L'analyse des résultats et de l'étude de sensibilité ont permis de montrer l'importance de la prise en compte du glissement entre les phases liquide et vapeur pour décrire correctement la distribution du liquide dans les tubes ainsi que de la méthode de modélisation de la conductivité thermique équivalente du complexe MCP+Ailettes et MCP+Inserts.Finalement, cette étude a permis de montrer que la démarche proposée de modélisation simplifiée des transferts permet de simuler le comportement des stockages MCP de technologie tubes-et-calandre sur des cycles complets de charge et décharge de manière satisfaisante, avec des temps de calculs modérés, que ce soit avec des fluides caloporteurs monophasiques ou diphasiques. Les résultats des simulations ont permis de mettre en évidence les paramètres du problème ayant de forts impacts sur la prédiction des performances du stockage, et nécessitant d'être correctement pris en compte.