Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Stockage thermique souterrain“

Afin de mieux gérer la consommation énergétique des serres agricoles québécoises, le projet ÉCHAS fut mis sur pied au sein du groupe de recherche THERMAUS du département de génie mécanique de l'Université de Sherbrooke. Ceci est la dernière phase du projet ÉCHAS (ÉCHangeur-Accumulateur de chaleur dans le Sol des serres). Ce projet vise à mieux comprendre la dynamique thermique des serres québécoises et à analyser leur comportement thermique lorsqu'elles sont munies d'un système de stockage de chaleur dans le sol de type ÉCHAS. Tout d'abord, la modélisation de la serre sur le logiciel commercial TRNSYS et la modélisation du sol et de l'ÉCHAS sur un code numérique développé pour le projet (baptisé Biko) sont exposés. Ces modèles sont validés par des données expérimentales et par la comparaison de leur réponse avec d'autres modèles connus. L'union de ces deux modèles permet de faire des simulations numériques de différents systèmes serres-ÉCHAS, selon leur localité géographique, leur stratégie d'exploitation (températures de confort, intégration à la ventilation normale à celle de l'ÉCHAS), et la construction de l'ÉCHAS (isolation, nombre de conduits, sol humide ou saturé, etc.). Les résultats montrent que l'ÉCHAS peut être très performant (très bon ratio énergie stockée sur énergie récupérée) et efficace (bonne économie de chauffage et d'énergie) selon sa construction et son exploitation. Il peut facilement permettre des économies de chauffage de l'ordre de 15-20%.

Mise au point d'un capteur solaire à air performant pour avoir des températures élevées du fluide caloporteur. Le sol constitue le réservoir de chaleur formant un accumulateur dans lequel sont enterrés des tuyaux qui constituent l'échangeur de chaleur.

L’étude des phénomènes couplés thermo-hydro-mécaniques intéresse la communauté scientifique aujourd'hui confronté au problème du stockage des déchets. La modélisation est un outil essentiel pour prédire l'évolution complexe du milieu hôte et de ces déchets. Parmi les approches numériques existants, on distingue les approches de types éléments finis et les approches de type éléments distincts. Si la première, plus ancienne, a déjà donné lieu à de nombreux développement et applications, elle rend mal quelquefois la réalité du massif rocheux fracturé. Nous avons souhaité cette dernière approche en la rendant capable de modéliser les échanges thermiques convectifs liés à la circulation d'un fluide dans les fissures de roche. Nous suspectons en effet que ce phénomène peut être important si le gradient hydraulique est suffisamment élevé. Une étude bibliographique nous a permis de mettre en évidence les paramètres qui déterminent ce phénomène dont le principal est le coefficient de transfert thermique h entre la roche et le fluide. Les nombreuses formulations recensées ne sont pas totalement suffisantes à expliciter la réalité de ses effets. D’autres mesures, in situ et en laboratoire, s'avèrent nécessaires. Nous avons pu établir des expressions pour les termes d'échange thermique entre le fluide et la roche et à l'intérieur du fluide lui-même. Souhaitant donc modéliser le phénomène à l'aide d'une approche adaptée au milieu discontinu, notre choix s'est porte sur le logiciel UDEC (Universal Distinct Element Code) dont la structure permettait moyennant quelques modifications d'accueillir les développements envisagés. Les algorithmes de calcul sont basés sur les différences de vitesse entre les transferts thermiques convectifs et conductifs. Nous avons testé notre modèle dans le cas de l'écoulement d'un fluide froid entre 2 blocs. Dans le cas d'une modélisation thermohydraulique, les échanges thermiques calculés sont cohérents et s'accordent avec ceux calculés par une autre approche numérique. On observe en effet que la convection thermique croit avec l'ouverture hydraulique de la fracture, la vitesse du fluide et décroit avec sa viscosité. Des calculs thermo-hydromécaniques ont montré la nécessité d'alterner les calculs thermiques et les calculs hydromécaniques suffisamment fréquemment pour rendre compte de la réalité du couplage. Notre modèle a été utilisé à grande échelle et a permis également d'interpréter les anomalies thermiques mesurées sur le site géothermal du Cézallier

Etude de l'influence de densite, teneur en eau, temperature, et aussi des caracteristiques mineralogiques et des conditions physiques externes (accroissement de temperature, contrainte mecanique). Amelioration de la conductivite par additifs (graphite, quartz). Utilisation de modeles pour relier la conductivite a celles de chaque phase; bons resultats obtenus avec le modele geometrique (empirique) et le modele de porosite ellipsoidale

La réduction des émissions de gaz à effet de serre provenant des énergies fossiles combinée à l'augmentation de la demande mondiale en énergie représente un défi majeur pour l'humanité. Nous ne pourrons le résoudre sans un recours massif aux énergies renouvelables. L'énergie solaire est l'une des formes renouvelables les plus abondantes et disponibles. Diverses techniques sont utilisées pour exploiter cette énergie, telles que les panneaux solaires photovoltaïques pour la production d'électricité et les capteurs solaires thermiques pour la production de chaleur. Récemment, une autre approche a émergé, celle des routes solaires, offrant à la fois des infrastructures de transport et des capacités de captation d'énergie solaire. Dans ce contexte, cette thèse propose l'étude et le développement d'un système couplant énergétiquement une chaussée à un bâtiment via un stockage thermique. Le concept repose sur la récupération de chaleur de la chaussée pendant les périodes chaudes, via un fluide caloporteur circulant dans un revêtement de chaussée drainant placé sous la couche de roulement. Cette chaleur est ensuite stockée au sein d'un stockage thermique composé de sable saturé en eau en sous-sol du bâtiment afin d'être mobilisée ultérieurement. Le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire mettent en œuvre une pompe à chaleur. Un modèle thermique et énergétique a été développé pour l'ensemble du système. Les prédictions du modèle sont comparées aux résultats expérimentaux obtenus à l'aide d'un démonstrateur spécifiquement développé pour les besoins de l'étude. Les simulations annuelles montrent qu'il est possible de chauffer efficacement des maisons individuelles ou des petits collectifs répondants aux réglementations énergétiques actuelles en valorisant l'énergie thermique des routes avec un coefficient de performance moyen de la pompe à chaleur voisin de 6.5. Une étude de sensibilité du système a montré que la superficie du capteur, le volume du stockage et le lieu d'implantation ont une influence sur les performances du système
Reducing greenhouse gas emissions from fossil fuels combined with increasing global energy demand represents a major challenge for humanity. We will not be able to solve it without massive recourse to renewable energies. Solar energy is one of the most abundant and available forms of renewable energy. Various techniques are used to harness this energy, such as photovoltaic solar panels for electricity production and solar thermal collectors for heat production. Recently, another approach has emerged, that of asphalt solar collector, offering both transport infrastructure and solar energy capture capacities. In this context, this thesis proposes the study and development of a system energetically coupling a roadway to a building via thermal storage. The concept is based on recovering heat from the roadway during hot periods, via a heat transfer fluid circulating in a draining road surface placed under the wearing course. This heat is then stored in a thermal storage composed of sand saturated with water in the basement of the building in order to be mobilized later. Heating and domestic hot water production use a heat pump. A thermal and energy model has been developed for the entire system. The model predictions are compared to experimental results obtained using a demonstrator specifically developed for the needs of the study. Annual simulations show that it is possible to efficiently heat individual houses or small collectives meeting current energy regulations by using the thermal energy of the roads with an average coefficient of performance of the heat pump close to 6.5. A sensitivity study of the system showed that the surface area of the sensor, the storage volume and the location have an influence on the performance of the system

A l'heure actuelle, le probleme du stockage des dechets nucleaires doit etre resolu. Une des solutions envisagees est de creer des sites de stockage en profondeur et d'assurer leur securite, c'est a dire d'empecher la migration des radionucleides dans la biosphere. Parmi les materiaux susceptibles de freiner cette diffusion, les apatites sont envisagees en raison de leur faible cout (mineral present dans les phosphates sedimentaires ou dans le roches) et de leurs proprietes de retention vis a vis des elements lourds tels que les actinides et les lanthanides. Le but de ce travail a ete d'etudier la diffusion dans les apatites des radionucleides en fonction de la temperature et de la radioactivite ambiante. Pour limiter les problemes de radioprotection nous avons choisi de travailler sur des elements stables suivants : le lanthane et l'europium. Leurs masses et leurs proprietes chimiques permettent de simuler les produits de fission et les actinides. Dans un premier temps, nous avons mesure a l'aide des techniques d'analyse par faisceaux d'ions la diffusion thermique dans deux types d'apatite : la fluorapatite et l'hydroxyapatite. Les valeurs de coefficients de diffusion etant tres faibles des etudes de localisation par luminescence laser et spectroscopie d'absorption x (exafs) ont ete menees. Dans un second temps, la diffusion sous irradiation d'ions bismuth simulant les noyaux de recul de la radioactivite alpha a ete etudiee, mettant en evidence un mecanisme de diffusion par annihilation vers la surface des defauts crees lors de l'irradiation.

Realisation, mise au point et premieres utilisations d'un appareil triaxial nouveau, par l'introduction du parametre temperature. Utilisation pour prevoir le comportement thermique, hydraulique et mecanique d'un sol non sature, dans un contexte de stockage de chaleur dans le sous-sol

L'objet de cette recherche est de modéliser le comportement Thermo-Hydro-Mécanique des massifs rocheux fracturés en vue du stockage de déchets radioactifs. A cette fin, nous avons été amené à proposer une méthodologie de modélisation des massifs rocheux fracturés qui a été appliquée à un site souterrain réel (Site EDF de Nouvelle Romanche). Cette méthodologie consiste, dans un premier temps, à rechercher les VER hydraulique et mécanique. Au dessus du plus grand de ces VER, les développements effectués dans un programme d'éléments finis permettent de modéliser toutes les fractures de manière explicite. On détermine les propriétés mécaniques homogénéisées en condition drainée et non drainée en simulant des essais triaxiaux représentatifs du massif soumis à un chargement. Ces simulations permettent d'analyser l'évolution des propriétés hydrauliques homogénéisées avec l'état de contraintes. La réalisation des expériences de type drainé et non drainé permet de discuter de la pertinence de l'assimilation d'un milieu fracturé à un milieu poreux. Ces simulations ont mis en évidence, en particulier, le rôle du comportement en cisaillement des fractures sur les propriétés homogénéisées mécaniques et hydrauliques. Du point de vue de la thermique, tant que le mode principal de propagation de la chaleur est la conduction, les propriétés thermiques homogénéisées sont peu différentes des propriétés thermiques de la matrice rocheuse.

La fermeture des centrales nucléaires et le développement de l’énergie solaire et éolienne rendent la production d’électricité plus volatile. De nouveaux systèmes de stockage sont nécessaires pour s’assurer que l’électricité est disponible au moment où elle est nécessaire. Le stockage adiabatique d’air comprimé représente une technologie prometteuse. Il utilise l’excédent de production des installations solaires et éoliennes pour comprimer l’air ambiant et le stocker dans une cavité souterraine. Au besoin, l’air comprimé est à nouveau détendu et entraîne alors une turbine qui produit de l’électricité. En tirant profit de la chaleur générée lors de la compression, cette technologie atteint un rendement de 65 à 75 %, ce qui est semblable à celui obtenu avec l’accumulation par pompage. En termes de potentiel d’émission de gaz à effet de serre et de dommages aux écosystèmes, la compatibilité environnementale des réservoirs d’air comprimé est également comparable à celle des systèmes à accumulation par pompage. Les réservoirs d’air comprimé sont techniquement réalisables. Les composants importants, comme les turbomachines et les accumulateurs thermiques, sont déjà disponibles sur le marché ou ont été testés dans une installation pilote. La construction de cavités bénéficie de l’expérience acquise lors de la réalisation de tunnels et de cavernes. Les réservoirs adiabatiques d’air comprimé constituent par conséquent une solution de stockage efficace, écologique et techniquement réalisable. En raison de leurs coûts d’investissement élevés et du manque de clarté qui entoure leur cadre économique et juridique, leur rentabilité demeure toutefois incertaine. Cela complique également le financement d’une installation de démonstration.

La fermeture des centrales nucléaires et le développement de l’énergie solaire et éolienne rendent la production d’électricité plus volatile. De nouveaux systèmes de stockage sont nécessaires pour s’assurer que l’électricité est disponible au moment où elle est nécessaire. Le stockage adiabatique d’air comprimé représente une technologie prometteuse. Il utilise l’excédent de production des installations solaires et éoliennes pour comprimer l’air ambiant et le stocker dans une cavité souterraine. Au besoin, l’air comprimé est à nouveau détendu et entraîne alors une turbine qui produit de l’électricité. En tirant profit de la chaleur générée lors de la compression, cette technologie atteint un rendement de 65 à 75 %, ce qui est semblable à celui obtenu avec l’accumulation par pompage. En termes de potentiel d’émission de gaz à effet de serre et de dommages aux écosystèmes, la compatibilité environnementale des réservoirs d’air comprimé est également comparable à celle des systèmes à accumulation par pompage. Les réservoirs d’air comprimé sont techniquement réalisables. Les composants importants, comme les turbomachines et les accumulateurs thermiques, sont déjà disponibles sur le marché ou ont été testés dans une installation pilote. La construction de cavités bénéficie de l’expérience acquise lors de la réalisation de tunnels et de cavernes. Les réservoirs adiabatiques d’air comprimé constituent par conséquent une solution de stockage efficace, écologique et techniquement réalisable. En raison de leurs coûts d’investissement élevés et du manque de clarté qui entoure leur cadre économique et juridique, leur rentabilité demeure toutefois incertaine. Cela complique également le financement d’une installation de démonstration.