Système de stockage

Chapitre 2

Modélisation du stockage

le condenseur ne sont donc pas modélisés dans notre étude. Cependant, pour respecter la physique du système, ces deux composants sont pris en compte dans la modélisation de l’adsorbeur, tout comme le système alternatif, au niveau des conditions limites du système d’équations.

Figure 2.1.1: Fonctionnement simplifié d’un système à adsorption

De nombreux travaux portant uniquement sur l’adsorbeur peuvent être cités [Mhimid, 1997], [Fedorov, 1999], [Zhang, 1999], [Zhang, 2000], [Pei-Zhi, 2009].

2.1.2 Description de l’adsorbeur

L’adsorbeur étudié est classique. Il est constitué d’un fluide caloporteur qui circule dans un tube métallique entouré par un lit de zéolithes 13X cylindrique comme l’illustre la figure 2.1.2. Ses parois internes, c’est-à-dire en r = R2, et externes, c’est-à-dire en r=R3, du lit d’adsorbant sont imperméables.

2.1 Système de stockage

Figure 2.1.2: Schéma de l’adsorbeur

Un cycle à adsorption fonctionne de manière similaire à un cycle thermique ordinaire.

Il s’articule habituellement en quatre phases : une phase de chauffage isostérique, une phase de désorption, une phase de refroidissement isostérique et une phase d’adsorption décrites ci-après [Pons, 1999]. Les phases de chauffage et de désorption permettent le stockage d’énergie au sein de l’adsorbeur quand cette dernière est disponible. Le refroi- dissement et l’adsorption permettent la restitution de l’énergie en fonction des besoins.

La quantité d’énergie stockée (ou déstockée) dans le lit d’adsorbant, grandeur d’intérêt nous concernant, dépend de la quantité d’eau présente en son sein.

Lors de la mise en route du système de stockage d’énergie, les quatre clapets présentés sur la figure 2.1.1 sont fermés et le lit d’adsorbant est saturé en vapeur d’eau. Il est en équilibre thermodynamique avec son environnement, c’est-à-dire à la température ambiante au démarrage du système. Sa températureT et sa pression p sont considérées uniformes.

Au cours du chauffage isostérique, le fluide caloporteur provenant du système alternatif en mode de chauffage entre dans le tube métallique par son extrémité gauche et s’écoule vers son extrémité droite, chauffant ainsi le lit d’adsorbant comme l’illustre la figure 2.1.3. La température et la pression augmentent plus rapidement à l’extrémité gauche du lit d’adsorbant qu’à l’extrémité droite, ce qui correspond au temps de séjour du fluide.

Durant cette phase, tous les clapets restent fermés. La pression p et la température T du lit d’adsorbant, initialement basses, augmentent contrairement à la quantité d’eau présente dans le lit d’adsorbant qui reste constante.

Figure 2.1.3: Phase de chauffage isostérique

Lorsque la pression de l’extrémité gauche du lit d’adsorbant dépasse légèrement la pression du condenseur, le clapet 1 s’ouvre, ce qui initie la désorption au niveau de cette extrémité. Les clapets 2, 3 et 4 sont alors fermés. Quand la pression de l’extrémité droite dépasse légèrement la pression du condenseur, le clapet 2 s’ouvre, initiant la désorption au niveau de cette extrémité du lit d’adsorbant. Les clapet 3 et 4 restent fermés. La vapeur d’eau est désorbée et s’écoule vers le condenseur comme le représente la figure 2.1.4. Tant que la pression des extrémités de l’adsorbeur est égale à celle du condenseur, les clapets 1 et 2 restent ouverts. Le lit d’adsorbant est alors connecté au condenseur. La pression de ce dernier, notéepcond est donc imposée aux deux extrémités du lit d’adsorbant. Le fluide continue à chauffer le lit d’adsorbant pour entretenir le processus de désorption. Dans le condenseur, la vapeur d’eau désorbée est refroidie et se condense. L’eau liquide traverse un détendeur dans lequel elle passe de haute à basse pression puis vient remplir l’évaporateur sans changer d’état. La totalité de la vapeur d’eau n’a pu être désorbée. Une quantité « résiduelle » de vapeur d’eau subsiste donc dans le lit d’adsorbant à la fin de cette phase. A ce moment, les clapets 1 et 2 sont ouverts contrairement aux clapets 3 et 4, toujours fermés.

Figure 2.1.4: Phase de désorption

2.1 Système de stockage Quand les besoins en énergie le requièrent, un liquide froid provenant du système alternatif en mode de refroidissement entre dans le tube métallique par son extrémité gauche et refroidit le lit d’adsorbant comme le montre la figure 2.1.5. Dès le début de cette phase, la diminution de pression est à l’origine de la fermeture des clapets. Le mécanisme étant réversible, la température et la pression diminuent plus rapidement à l’extrémité gauche du lit d’adsorbant qu’à l’extrémité droite, ce qui est lié au temps de séjour du fluide. Durant cette phase, la pression p et la température T du lit d’adsor- bant, initialement hautes, diminuent contrairement à la quantité d’eau présente dans le matériau qui reste constante.

Figure 2.1.5: Phase de refroidissement isostérique

Lorsque la pression de l’extrémité gauche du lit d’adsorbant devient légèrement in- férieure à la pression de l’évaporateur, le clapet 3 s’ouvre, ce qui initie l’adsorption au niveau de cette extrémité. Les clapets 1, 2 et 4 sont alors fermés. Quand la pression de l’extrémité droite devient légèrement inférieure à la pression de l’évaporateur, le clapet 4 s’ouvre, initiant l’adsorption au niveau de cette autre extrémité du lit d’adsorbant.

Les clapets 1 et 2 restent fermés. Dans l’évaporateur, l’eau liquide est vaporisée puis s’écoule de l’évaporateur vers l’adsorbeur, comme le représente la figure 2.1.6, où elle est adsorbée. Tant que la pression des extrémités de l’adsorbeur est égale à celle de l’évaporateur, les clapets 3 et 4 restent ouverts. Le lit d’adsorbant est alors connecté à l’évaporateur. La pression de ce dernier, notée p´evap est donc imposée aux extrémités du lit d’adsorbant. Le fluide froid provenant du système de refroidissement continue à entretenir le processus d’adsorption, donc de restitution de l’énergie, jusqu’à saturation du lit d’adsorbant en vapeur d’eau.

Figure 2.1.6: Phase d’adsorption

A la fin de cette phase, le lit d’adsorbant est saturé et à l’équilibre thermodynamique.

Sa pression et sa température sont basses.

Pour une explication plus approfondie du fonctionnement des cycles à adsorption, le lecteur peut se référer à [Pons, 2000], [Hildbrand, 2004].