Les procédés industriels génèrent de grandes quantités de chaleur, qui ne peuvent souvent pas être utilisées immédiatement. Une raison essentielle à cela tient au fait que l’offre et la demande de chaleur ne coïncident souvent pas sur le plan temporel. Les systèmes de stockage d’énergie thermique peuvent combler ce décalage en absorbant la chaleur excédentaire et en la rendant disponible plus tard, au moment voulu.
La récupération et le stockage de la chaleur fatale industrielle offrent donc un fort potentiel pour accroître l’efficacité énergétique et réduire les émissions de gaz à effet de serre. Les systèmes dits de stockage d’énergie thermique à lit garni (PBTES) suscitent un intérêt particulier. Ceux-ci fonctionnent, par exemple, en faisant circuler de l’air chaud à travers un matériau de stockage constitué de particules solides, transférant ainsi directement la chaleur au matériau. Lors de la décharge, ce processus est inversé.
Des chercheurs de la TU Wien ont désormais développé une nouvelle méthode permettant de déterminer précisément l’état d’un tel système de stockage d’énergie thermique pendant son fonctionnement. Ces travaux, récemment publiés dans la revue Applied Thermal Engineering, combinent plusieurs domaines de recherche : la modélisation des systèmes physiques distribués, la réduction mathématique de modèles, le placement optimal de capteurs, l’observation d’état issue de la théorie de la commande et l’identification de paramètres en ligne.
Savoir ce qui se passe à l’intérieur
Un défi majeur dans l’exploitation d’un système de stockage thermique à lit garni consiste à connaître son état interne réel. Une zone de transition relativement étroite, appelée thermocline, se forme entre les régions chaude et froide. Sa position, sa forme et sa stabilité influencent directement l’efficacité avec laquelle le système de stockage fonctionne et la quantité d’énergie stockée réellement exploitable.
« Une mesure complète de la répartition spatiale de la température nécessiterait un grand nombre de capteurs à l’intérieur du système de stockage. Compte tenu notamment des températures élevées et des conditions sévères régnant dans les installations industrielles, cela s’avère techniquement complexe et coûteux », explique Stefan Jakubek, en décrivant le problème.
C’est précisément là qu’intervient la nouvelle méthode : les chercheurs ont développé une méthode d’estimation qui, à partir d’un modèle mathématique du procédé et d’une poignée de capteurs de température placés de manière stratégique, permet de déduire toute la répartition spatiale de la température au sein du réservoir de stockage. « Le modèle mathématique complète ainsi, en quelque sorte, les informations qui ne peuvent pas être mesurées directement par des capteurs », explique René Hofmann.
Une physique complexe pour le fonctionnement en continu
Les chercheurs utilisent une méthode mathématique pour simplifier la représentation des processus complexes au sein du réservoir de stockage de chaleur. Cela leur permet de calculer plus rapidement la façon dont la frontière de température entre matériau chaud et matériau froid se déplace dans le réservoir. Ce faisant, les propriétés du modèle original qui sont cruciales pour ce mouvement sont conservées. Ils étudient également auxquelles positions les capteurs de température fournissent une richesse d’informations particulièrement importante sur l’état global de l’unité de stockage.
La nouvelle méthode ne se contente pas de reconstruire la distribution de température : elle estime également le transfert de chaleur entre le gaz qui circule à travers le réservoir et le matériau de stockage. « Ce paramètre nous permet de décrire l’efficacité avec laquelle la chaleur est transférée entre le gaz et le solide », explique Martin Kozek. « Cela ouvre une autre piste de recherche intéressante. » Les variations du transfert de chaleur peuvent ainsi fournir des indications sur les évolutions au sein de l’unité de stockage. Dans les applications industrielles, par exemple, des écoulements de gaz chargés de poussières peuvent entraîner des dépôts sur le long terme, altérant ainsi le transfert de chaleur. L’estimation continue des paramètres pourrait donc non seulement favoriser, à l’avenir, un fonctionnement économe en énergie, mais aussi fournir des informations sur l’état de l’installation et permettre une maintenance conditionnelle.
Lorsque l’ingénierie de la commande et le génie énergétique se rencontrent
Ces travaux illustrent également la valeur ajoutée de la collaboration entre différentes disciplines : l’Institut de technologie énergétique et de thermodynamique de la TU Wien apporte une expertise dans les systèmes énergétiques thermiques et le stockage de chaleur, tandis que l’Institut de mécanique et de mécatronique de la TU Wien complète cet apport par des méthodes issues de la modélisation mathématique, de l’ingénierie de la commande et de l’automatisation des procédés. Les deux instituts mènent des recherches conjointes dans le cadre du Laboratoire Christian Doppler pour les jumeaux numériques de systèmes à paramètres répartis.
Article : Observer-based thermocline tracking and heat transfer coefficient estimation in packed bed thermal energy storage systems – Journal : Applied Thermal Engineering – Méthode : Computational simulation/modeling – DOI : Lien vers l’étude
Source : TUWien
