Etude théorique et numérique de batteries de Carnot novatrices

Avec la pénétration des énergies renouvelables (ENR) toujours plus importante dans nos mix énergétiques et leur intermittence intrinsèque, nos capacités de stockage se doivent d’être considérablement augmentées pour atteindre les objectifs de décarbonation fixés par les politiques environnementales. Les batteries de Carnot (BC) sont une alternative crédible aux autres technologies de stockage massif d’électricité, grâce notamment à l’absence de contraintes géographiques lors de leur implantation et le fait qu’elles aient peu recours à des matériaux critiques. Les BC présentent de plus des rendements de conversion intéressants au regard de leurs faibles coûts d’investissement. Le principe de fonctionnement de cette technologie est donné en figure 1. Lorsque de l’électricité nécessite d’être stockée, elle est préalablement convertie en chaleur via un procédé de charge, stockée sous forme thermique, puis restituée en étant reconvertie via un cycle moteur. Une BC peut être qualifiée de batterie intégrée (BCI) si des flux thermiques additionnels et externes sont valorisés lors de son cycle comme illustré sur la figure 1.  Dans ces travaux, un type de batterie particulier est étudié, il s’agit des batteries de Carnot greffées (BCG) dont le concept est présenté dans la figure 2. A une centrale thermique de production électrique est greffé un module de BC composé d’un procédé de charge et d’un stockage thermique. Une partie du flux thermique de la centrale est dévié pour être valorisé auprès du procédé de charge qui va permettre le stockage de chaleur à plus haute enthalpie que celle générée par la centrale. Ce gain d’enthalpie est assuré par l’électricité du réseau lors de la phase de charge de la BCG. Lors de la décharge de la BCG, le flux à plus haute enthalpie est valorisé par le cycle moteur qui est mutualisé entre la centrale et la BCG. L’architecture des BCG conduit notamment à une augmentation du rendement de conversion par rapport aux BC simples mais également à une augmentation de la réactivité du système et à une diminution des coûts d’infrastructure due à la mutualisation du cycle moteur. Dans ce travail une étude analytique et théorique des BCG est proposée, à travers notamment de l’adoption d’une nouvelle définition pour le rendement de conversion à l’échelle système. Une étude d’architecture est également menée, visant à déterminer les configurations de BCG qui conduisent à des résultats prometteurs. Cette étude réalisée sous le logiciel Engineering Equations Solver (EES) consiste en une optimisation multicritère des trois sous-composants d’une BCG selon les architectures considérées. Les résultats des simulations de trois configurations seront présentés et discutés, l’une modélisant une BCG à un cycle organique de Rankine (ORC) transcritique avec un stockage chaud, ainsi que deux autres modélisant une BCG supercritique avec des stockages chaud et froid.

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