Projet conjoint "Stockage d’électricité par compression adiabatique d’air"

L’intégration de sources d’énergie renouvelables fluctuantes nécessite le stockage de grandes quantités d’électricité pour assurer la stabilité du réseau et concilier l’offre et la demande. Actuellement, les STEP représentent 99 % du stockage mondial de grande capacité en termes de puissance. Les principaux avantages des STEP sont leur rendement élevé, de l’ordre de 80 à 90 %, et leur impact environnemental relativement faible en termes de potentiel de réchauffement climatique et de rapport entre l’énergie stockée et l’énergie investie. Leurs principaux inconvénients sont l’opposition des écologistes, les investissements liés au site et l’incertitude concernant la rentabilité sur les marchés avec une forte proportion de sources d’énergie renouvelables fluctuantes. Solution alternative aux STEP, le CAES a fait ses preuves sous sa forme diabatique sur les sites de Huntorf en Allemagne (321 MWél, depuis 1978) et de McIntosh aux États-Unis (110 MWél, depuis 1991). Ces installations stockent toutes deux l’air comprimé dans des mines de sel. Les inconvénients majeurs du CAES diabatique sont un rendement limité de 45 à 50 % en raison du rejet de la chaleur de compression et la nécessité de restituer la chaleur rejetée en brûlant des combustibles fossiles. Les systèmes adiabatiques (AA-CAES) emmagasinent la chaleur de compression dans un système de stockage d’énergie thermique, ce qui évite le recours aux combustibles fossiles et permet d’atteindre des rendements de l’ordre de 65 à 75 %.

Étudier le processus AA-CAES avec une accumulation combinée de chaleur sensible et de chaleur latente, ainsi que les cavités rocheuses par l’intermédiaire de simulations et d’expériences, et mener une analyse de durabilité à la lumière des aspects environnementaux et économiques.

1. La faisabilité technique du AA-CAES a été démontrée par les expériences menées dans la première centrale pilote au monde. Basée sur une accumulation combinée de chaleur sensible et de chaleur latente et employant une cavité rocheuse, cette centrale a permis d’atteindre des rendements estimés entre 63 et 74 %.
2. Le stockage thermique combiné a été testé à des températures allant jusqu’à 566°C. La partie latente a permis de limiter les pertes au niveau de la température de sortie lors de la décharge.
3. La dégradation du matériau à changement de phase encapsulé a été déterminée de façon expérimentale et numérique, et des stratégies d’atténuation basées sur une barrière de diffusion en céramique ont été développées.
4. Un modèle numérique simulant le comportement dynamique d’une centrale AA-CAES complète a été élaboré. Il inclut des sous-modèles réalistes pour les principaux composants de l’installation.
5. En termes de réchauffement climatique et de protection des écosystèmes, la solution AA-CAES et les STEP affichent des performances similaires. L’efficacité économique des centrales AA-CAES dépend fortement des hypothèses retenues.

Implications pour la recherche

1. AA-CAES est techniquement réalisable mais des expériences supplémentaires sur l’étanchéité des cavités et des études à long terme sur les cycles de stockage thermique sont nécessaires.
2. Selon le modèle numérique, une exploitation à pression glissante améliore l’efficacité de la centrale mais présente également des défis pour le fonctionnement des turbines existantes.
3. Des solutions alternatives d’encapsulation/de matériaux à changement de phase doivent être étudiées pour déterminer si des approches différentes permettraient de supprimer ou de réduire la dégradation.

Implications pour la pratique

1. La limitation des pertes au niveau de la température de sortie du stockage thermique combiné simplifie le fonctionnement de la turbine dans une centrale AA-CAES.
2. L’efficacité économique des centrales AA-CAES doit faire l’objet d’études supplémentaires.
3. Les stratégies d’atténuation de la dégradation de l’encapsulation/des matériaux à changement de phase peuvent être appliquées à d’autres procédés industriels.

High-Temperature Combined Sensible/Latent-Heat Storage Based on Novel Materials for Electricity Storage Using Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage

Ce projet conjoint se compose de trois projets de recherche

Design and Optimization of High-Temperature Combined Sensible/Latent-Heat Storage

• Dr. Andreas Haselbacher, Departement für Maschinenbau und Verfahrenstechnik, ETH Zürich; Dr. Peter Burgherr

Analysis of AA-CAES cycles exploiting Combined Sensible/Latent Thermal Energy Storage and Novel Materials

• Dr. Maurizio Barbato, Dipartimento Tecnologie Innovative (DTI), Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana, Manno; Dr. Peter Burgherr, Paul Scherrer Institut

Aluminium-silicon based phase change material structures for high-temperature latent heat storage

• Prof. Sophia Eva Martha Haussener, Laboratoire de la science et de l'ingénierie de l'énergie renouvelable, EPF Lausanne; Dr. Peter Burgherr, Prof. Andreas Mortensen, Dr. Ludger Weber