Modélisation et calibration d’un modèle numérique pour le stockage d’énergie par air comprimé (CAES)

Dormoy, Emeric (2024). Modélisation et calibration d’un modèle numérique pour le stockage d’énergie par air comprimé (CAES). Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La transition vers les sources d'énergie renouvelable, telles que le solaire et l'éolien, est cruciale pour lutter contre le changement climatique. Cependant, leur caractère intermittent nécessite le développement de solutions de stockage d'énergie fiables. Parmi celles-ci, la technologie de stockage d'énergie par air comprimé (CAES) offre des perspectives prometteuses Alors que les systèmes de CAES souterrains ont démontré leur potentiel à grande échelle, un intérêt croissant se porte désormais sur les installations hors terre de plus petite taille, en raison de leur meilleure flexibilité et densité énergétique. Toutefois, la technologie CAES hors terre demeure encore peu mature et nécessite des recherches approfondies.

Cette étude vise à réaliser une analyse d'un système CAES hors terre en combinant des données expérimentales et des simulations numériques. L'objectif principal est d'identifier des pistes d'amélioration afin de contribuer à l'avancement de cette technologie.

Un modèle numérique a été élaboré en tenant compte des propriétés réelles de l'air. Pour représenter les évolutions temporelles, une approche en régime transitoire a été adoptée, impliquant une discrétisation des évolutions en une série de courts intervalles. Les données expérimentales ont été utilisées pour calibrer le modèle, garantissant une précision avec une erreur moyenne absolue en pourcentage constamment inférieure à 4,0 %. De plus, une analyse paramétrique a été réalisée pour évaluer l'impact des principaux paramètres du système sur le rendement sur cycle.

Cette analyse paramétrique a révélé des variations significatives dans le rendement sur cycle, le nombre d'étages de turbine émergeant comme un facteur crucial. En augmentant le nombre d'étages de un à trois et en incorporant un préchauffage avant chaque étage, le rendement du système s'est nettement amélioré, passant de 4,5 % à 16,0 %.

Une analyse supplémentaire a confirmé la faisabilité et la pertinence de l'intégration du stockage d'énergie thermique (TES) dans le système actuel, conformément au concept CAES adiabatique. Des calculs théoriques ont indiqué une abondance d'énergie thermique extraite de l'air comprimé, permettant une expansion entièrement chauffée avec une turbine à trois étages. L’énergie excédentaire pourrait être utilisée à des fins de cogénération, telles que le chauffage d'un bâtiment.

Titre traduit

Modeling and calibration of a numerical model for compressed air energy storage (CAES)

Résumé traduit

The transition to renewable energy sources requires reliable energy storage solutions to address the intermittency of solar and wind power. Among these solutions, compressed air energy storage (CAES) technology holds promise. While underground CAES systems have shown potential at the grid scale, attention to smaller aboveground installations is increasing due to their flexibility and higher energy density. However, aboveground CAES technology remains less mature and requires further investigation.

This research aims to conduct a comprehensive analysis of an aboveground CAES system using both experimental data and numerical simulations. The primary objective is to identify areas for improvement and optimization, contributing to the advancement of aboveground CAES technology.

A numerical model was developed, considering the real properties of air. To represent the temporal evolutions, a simplified transient approach was adopted, involving discretization of the evolutions into a series of short intervals. Experimental data were used to calibrate the model, ensuring precision with a consistently lower than 4.0% mean absolute error. Additionally, a parametric analysis was conducted to assess the impact of the system's key parameters on the round-trip efficiency.

The parametric analysis revealed significant variations in round-trip efficiency, with the number of turbine stages emerging as a crucial factor. By increasing the number of stages from one to three and incorporating preheating before each stage, the system's efficiency notably improved, increasing from 4.5% to 16.0%.

Further analysis affirmed the feasibility and relevance of integrating thermal energy storage (TES) into the current system, in accordance with the adiabatic CAES concept. Theoretical calculations indicate abundant thermal energy extracted from compressed air, enabling fully heated expansion with a three-stage turbine. The excess heat could be used for cogeneration purposes, such as heating a building.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par article présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie, énergie renouvelables et efficacité énergétique". Comprend des références bibliographiques (pages 133-140).
Mots-clés libres:	stockage d'énergie par air comprimé, modélisation, approche expérimentale, stockage d’énergie thermique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Haillot, Didier
Codirecteur:	Codirecteur Le Lostec, Brice
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	14 nov. 2024 14:43
Dernière modification:	14 nov. 2024 14:43
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3500

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