Multi-scale modelling approach of a steam storage with Phase Change Materials integrated into a thermal process

Approche multi-échelles pour la modélisation d'un stockage thermique de vapeur par matériau à changement de phase intégré dans un système Dans le cadre de la transition énergétique, le stockage de vapeur est un élément essentiel pour la récupération de la chaleur fatale sous forme de vapeur ainsi que pour les procédés industriels dépendants de l'énergie solaire où il permet d'adapter la puissance produite par la source de chaleur aux besoins du procédé. Le stockage de vapeur revêt par ailleurs une importance primordiale dans le contexte des centrales solaires thermiques à génération directe de vapeur. Dans cette thèse, les systèmes de stockage de type tubes-calandre par Matériau à Changement de Phase (dit MCP) sont étudiés. Dans ces systèmes, la chaleur est stockée à une température quasi-constante via la chaleur latente de changement de phase des MCP. La plupart des MCP ont pour inconvénient d'avoir une faible conductivité thermique, ce qui limite la puissance thermique du stockage. Pour cela des ailettes ou inserts ayant des formes géométriques spécifiques sont disposées sur la surface externe des tubes afin d'intensifier les échanges thermiques entre le fluide caloporteur et le MCP. En outre, plusieurs phénomènes physiques sont en jeu dans ce type de stockage. Dans le MCP, les transferts de chaleur sont souvent influencés par la transition de phase solide/liquide, ainsi par les mouvements de convection naturels du MCP liquide. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier l'influence des différents phénomènes physiques et des configurations géométriques du stockage sur la performance du module de stockage à partir d'un modèle mécanique des fluides numériques (Computational Fluid Dynamics ou CFD). Ensuite, le développement d'une approche de modélisation multi-échelles ouvrirait la voie à l'établissement de lois génériques régissant les transferts de chaleur au sein du système de stockage. Ces lois, exprimées sous forme de corrélations, seraient ensuite intégrées dans un modèle système, facilitant ainsi le dimensionnement rapide et efficient d'un système de stockage à l'échelle industrielle. Dans un premier temps, deux approches de modélisation du problème de changement de phase à l'échelle des systèmes ont été développées. La première approche implique une discrétisation du domaine contenant le MCP et les ailettes dans la direction radiale (modèle 1D radial). La seconde approche, en revanche, ne procède pas à une telle discrétisation de ce volume (modèle 0D radial), mais évalue directement les transferts thermiques au sein du stockage à partir des corrélations issues de la CFD. Ces deux modèles ont été couplés à un modèle représentant les écoulements diphasiques eau liquide/vapeur à l'intérieur des tubes, et ont été validés au moyen de données expérimentales provenant d'un prototype installé au CEA Grenoble. Dans un second temps, un modèle 3D CFD à maille fine a été développé pour simuler sur une géométrie représentative du module de stockage les différents phénomènes physiques en jeu. Les simulations à l'échelle CFD ont permis de quantifier l'impact de la convection naturelle sur les performances thermiques du stockage en phase de charge. En outre, des études paramétriques sur la configuration géométrique et les propriétés thermiques des ailettes radiales ont été réalisées. Les paramètres investigués sont le pas, l'épaisseur, la longueur, et la conductivité thermique des ailettes. L'influence de chaque paramètre géométrique sur les transferts thermique (conductifs et convectifs) a été investiguée et a permis d'établir des corrélations génériques sur la puissance du stockage. Ces corrélations ont ensuite été intégré dans le modèle système 1D capable de reproduire les résultats du modèles CFD, tout en permettant une significative réduction des ressources informatique requises. Notamment, la simulation d'une phase de charge complète requiert généralement de 2 à 3 jours de calcul par le modèle CFD. Toutefois, grâce au modèle système, cette durée est réduite à quelques secondes.