Brevet FR3100876A1 — publié le 20210319

L’invention concerne un dispositif multitubulaire de stockage thermique par sorption sur zéolithe d’un fluide caloporteur comprenant au moins une colonne cylindrique (13) avec : - au moins un lit de zéolithe (12) ; - au moins un moyen d’entrée/sortie dudit fluide caloporteur en haut de colonne, et un espace de distribution/collecte supérieur(14a) au-dessus du lit de zéolithe ; - au moins un moyen d’entrée/sortie dudit fluide caloporteur en bas de colonne, et un espace de distribution/collecte inférieur(14b) au-dessous du lit de zéolithe ; - au moins deux tubes de distribution et au moins deux tubes de collecte (10) dudit fluide caloporteur dans ledit lit de zéolithe, chacun desdits tubes étant muni d’une première extrémité ouverte en communication respectivement avec le moyen d'entrée ou de sortie du fluide caloporteur et d’une seconde extrémité fermée. L’invention concerne également le procédé de stockage de chaleur utilisant ledit dispositif. Figure à publier : Figure 2 Dispositif multitubulaire de stockage thermique par sorption sur zéolithe par contact direct La présente invention concerne le domaine du stockage de chaleur, et plus particulièrement les unités de stockage thermique par sorption sur zéolithe. Les dispositifs de stockage thermique par sorption sur zéolithe par contact direct fonctionnent sur le principe d’échanges de matière et de chaleur entre un gaz et une zéolithe dans des colonnes d’adsorption. Ces colonnes fonctionnent en général en écoulement gaz seul, dans un lit fixe de zéolithe. Les colonnes utilisées dans ces unités de stockage de chaleur fonctionnent par le principe d’adsorption dans une zéolithe d’une molécule chimique présente dans la phase gazeuse, par exemple vapeur d’eau (H2O) et l’échange thermique entre la phase solide (la zéolithe) et la phase gazeuse, l’air par exemple. La phase gazeuse fait office de fluide caloporteur. Les unités de stockage de chaleur fonctionnent principalement en quatre temps ou périodes : La première période dite « période de décharge » consiste à générer de la chaleur en mettant en contact direct le fluide caloporteur, par exemple l’air chargé d’humidité, dans une colonne d’adsorption équipée d’un lit fixe de zéolithe. L’adsorption de l’humidité dans la zéolite génère de la chaleur. Cette chaleur est transférée au fluide caloporteur puis transportée vers la zone d’utilisation. La seconde période dite « première période de pause ». Cette phase correspond à la période d’attente entre la phase de décharge et la phase de charge décrite ci-après. La troisième période dite « période de charge » consiste à utiliser de la chaleur fatale ou disponible à stocker pour régénérer le lit de zéolithe avant son utilisation pour une autre période de décharge. Dans cette phase les molécules adsorbées sont désorbées par le fluide de régénération. Par exemple, les molécules d’eau sont désorbées dans l’air sec. La quatrième période dite « deuxième période de pause » ou « période de stockage » correspond à un temps de stockage de l’énergie thermique. Les périodes de décharge, pause, charge et stockage peuvent être étalées sur plusieurs minutes, plusieurs heures, voire plusieurs jours ou plusieurs mois s’il s’agit de stockage saisonnier. La figure 1 présente un dispositif classique de stockage thermique par sorption composé d’une colonne équipée d’un lit fixe de zéolithe (1), d’une grille support de lit (2) et d’un diffuseur de jet (3). Pour les colonnes très hautes, le lit de zéolithe peut être composé de plusieurs sections de lit supportées par plusieurs grilles. Un tel dispositif est par exemple décrit dans M. Gaeini, H.A. Zondag, C.C.M. Rindt. Effect of kinetics on the thermal performance of a sorption heat storage reactor. Applied Thermal Engineering, 102 (2016) 520–531. Le gaz caloporteur peut être introduit par le haut ou le bas de la colonne. Par exemple, pendant la période de décharge (D), le gaz peut être introduit par une entrée (E) par le bas de la colonne (5) à une température entre 20 à 100 degrés Celsius et sort par une sortie (S) en haut de la colonne (4) à une température entre 200 et 220 degrés Celsius (voir figure 1 ). Pendant la période de régénération (R), le fluide de régénération, par exemple de l’air sec, est introduit par une entrée (E) en haut de la colonne (4) à une température d’environ 220 degrés Celsius et sort de la colonne par une sortie (S) en bas (5). Les durées de cycle de charge, régénération et pause varient en fonction du procédé. Ils peuvent être de plusieurs minutes, plusieurs heures ou plusieurs jours, voire plusieurs mois. Un mode de réalisation d’un dispositif mobile de stockage thermique par sorption est présenté dans la demande de brevet DE102013106039A1. L’invention décrit un dispositif de stockage thermique par sorption installé sur une remorque de transport utilitaire (un camion). Le dispositif mobile de stockage thermique composé d’un conteneur cylindrique équipé d’un cône au centre. Le lit de zéolithe est chargé dans une zone annulaire entre la paroi du cône central et l’espace annulaire situé entre la paroi du conteneur cylindrique et le lit de zéolithe. L’écoulement du fluide caloporteur se fait de manière radiale dans le lit. L’efficacité et les performances des dispositifs de stockage thermique dépendent des caractéristiques des zéolithes mises en œuvre, mais également des conditions opératoires et des paramètres de transport dans le lit de zéolithe comme le transfert de matière et de chaleur entre le solide et le fluide caloporteur, la vitesse superficielle du fluide caloporteur, la concentration en vapeur d’eau, les pertes de charge dans le lit, entre autres. Pour atteindre une efficacité optimale du dispositif de stockage thermique, la conception de ce dernier doit assurer, d’une part, la bonne utilisation de la capacité de stockage qu’offre la zéolithe et d’autre part respecter une faible perte de charge, acceptable pour le procédé. Pour une utilisation optimale de la capacité de stockage de la zéolithe qui permet d’assurer une efficacité maximale du dispositif de stockage, en phase de décharge, il est nécessaire d’utiliser des conditions opératoires optimales. Par exemple, avec un fluide caloporteur qui est de l’air humide, en phase de décharge, il est nécessaire de bien choisir la concentration en humidité dans l’air. Il faut également assurer une vitesse superficielle du fluide caloporteur adaptée pour éviter des limitations de transfert de chaleur et de matière qui pénalisent l’efficacité du dispositif. Une efficacité optimale du dispositif de stockage thermique se traduit par une utilisation optimale de la capacité de la zéolithe pour générer l’énergie thermique. L’énergie maximale E theo , issue de l’adsorption de la vapeur d’eau dans la zéolithe, que peut fournir le dispositif peut être estimée par la relation suivante : m zéo : la masse totale de la zéolithe dans le dispositif de stockage thermique q H2O (kg H2O /kg zéo ) : concentration H 2 O d’équilibre à Température, Pression d’opération (isotherme) ΔH ads (J/kg H2O ) : enthalpie d’adsorption Pour caractériser les performances du dispositif de stockage thermique, l’efficacité η du dispositif est définie comme le ratio entre l’énergie thermique en sortie du dispositif E dispositif et l’énergie théorique E théo définie précédemment : De manière générale, l’efficacité du dispositif de stockage en phase de décharge est nettement meilleure lorsque le temps de contact est court. Le temps de contact est défini comme le rapport entre la hauteur ou la longueur du lit de zéolithe L sur la vitesse superficielle du fluide caloporteur V SG. La valeur du temps de contact optimal pour un dispositif de stockage donné, dépend des conditions opératoires, mais également de la durée de la période de décharge. La demanderesse a découvert qu’un dispositif multitubulaire du stockage thermique, par sorption d’eau sur zéolithe avec un contact direct entre l’écoulement de fluide caloporteur, de préférence l’air, et la zéolithe, comprenant un lit de zéolithe, des grilles ou plateaux assurant une fonction de support du lit de zéolithe, une pluralité de tubes de distribution et de collecte du fluide caloporteur, permettait une mise en œuvre efficace de la zéolithe et de l’écoulement du fluide caloporteur afin d’assurer une bonne efficacité de décharge, tout en maintenant une très faible perte de charge. Dispositif multitubulaire de stockage thermique par sorption sur zéolithe d’un fluide caloporteur caractérisé en ce qu’il comprend au moins une colonne cylindrique (13) comprenant : - au moins un lit de zéolithe (12) positionné entre un premier plateau supérieur (8a) et un second plateau inférieur (8b), lesdits plateaux supérieur (8a) et inférieur (8b) étant solidaires de la calandre de ladite colonne ; - au moins un moyen d’entrée/sortie dudit fluide caloporteur situé en haut de la colonne, comprenant une conduite d’entrée/sortie (7) dudit fluide caloporteur et un espace de distribution/collecte supérieur (14a) au-dessus du lit de zéolithe ; - au moins un moyen d’entrée/sortie dudit fluide caloporteur situé en bas de la colonne, comprenant une conduite d’entrée/sortie (6) dudit fluide caloporteur et un espace de distribution/collecte inférieur (14b) au-dessous du lit de zéolithe ; - et en ce qu’il comprend à l’intérieur dudit lit de zéolithe au moins deux tubes de distribution et au moins deux tubes de collecte (10) dudit fluide caloporteur, lesdits tubes de distribution et de collecte s'étendant de manière sensiblement verticale et étant conçus pour permettre le passage dudit fluide caloporteur dans le lit de zéolithe, lesdits tubes étant de forme tubulaire et ayant au moins une partie de leur paroi munie d’orifices (11) afin de former un secteur de collecte et/ou de distribution radial, chacun desdits tubes de distribution ou de collecte du fluide caloporteur étant muni d’une première extrémité ouverte en communication respectivement avec le moyen d'entrée ou de sortie du fluide caloporteur et d’une seconde extrémité fermée. Dispositif multitubulaire selon la revendication 1 dans lequel ledit premier plateau supérieur (8a) et le second plateau inférieur (8b) obturent respectivement les secondes extrémités des tubes de distribution et les secondes extrémités des tubes de collecte du fluide caloporteur. Dispositif multitubulaire selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel les tubes de distribution et de collecte sont agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, en une pluralité de lignes de tubes. Dispositif multitubulaire selon la revendication 3 dans lequel chaque ligne de tubes est constituée soit de tubes de distribution ou soit de tubes de collecte et les lignes de tubes sont arrangées de sorte qu'une ligne constituée de tubes de collecte soit disposée de manière adjacente à une ligne constituée de tubes de distribution. Dispositif multitubulaire selon la revendication 3 dans lequel chaque ligne de tubes comprend alternativement un tube de distribution et un tube de collecte. Dispositif multitubulaire selon l’une des revendications 3 à 5 dans lequel les tubes de deux lignes adjacentes sont disposés en vis-à-vis selon un pas carré. Dispositif multitubulaire selon l’une des revendications 3 à 5 dans lequel les tubes de deux lignes adjacentes sont disposés de façon décalée selon un pas triangulaire. Dispositif multitubulaire selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel les tubes de distribution et de collecte sont agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, selon une pluralité de rangées concentriques et dans lequel une rangée constituée de tubes de collecte est disposée de manière adjacente à une rangée constituée de tubes de distribution. Dispositif multitubulaire selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel les tubes de distribution et de collecte sont agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, selon une pluralité de rangées concentriques et dans lequel chaque rangée de tubes comprend des tubes de distribution et des tubes de collecte. Dispositif multitubulaire selon l’une des revendications précédentes dans lequel une partie des tubes de collecte et/ou de distribution sont accolés à la calandre de la colonne. Dispositif multitubulaire selon l’une des revendications précédentes dans lequel le nombre de tubes de distribution est supérieur ou égal à quatre et le nombre de tubes de collecte est supérieur ou égal à quatre, de préférence le nombre de tubes de distribution est supérieur ou égal à huit et le nombre de tubes de collecte est supérieur ou égal à huit, de manière plus préférée le nombre de tubes de distribution est supérieur ou égal à seize et le nombre de tubes de collecte est supérieur ou égal à seize. Dispositif multitubulaire selon l’une des revendications 1 à 11 dans lequel les tubes de collecte et de distribution sont de section circulaire, ellipsoïdale, lenticulaire ou de forme quadrilatère. Dispositif multitubulaire selon la revendication 12 dans lequel chacun desdits tubes de distribution ou de collecte est de section circulaire et présente un secteur de distribution ou de collecte d'angle d'ouverture α compris entre 30° et 360°, préférentiellement compris entre 180° et 360°. Dispositif multitubulaire selon la revendication 12 dans lequel lorsque la section des tubes de distribution et/ou de collecte n'est pas de forme circulaire, le secteur de distribution ou de collecte correspondant à l'étendue périphérique de la surface de collecte ou de distribution des tubes est d'au moins 50% de l'étendue périphérique totale de la section externe dudit tube. Dispositif multitubulaire selon l’une des revendications précédentes dans lequel le secteur de distribution ou de collecte respectivement des tubes de distribution et de collecte s'étend sur 80% au moins de la longueur verticale du tube, et préférentiellement au moins 90% de la dite longueur . Procédé de stockage de chaleur par sorption d’eau sur zéolithe mettant en œuvre le dispositif multitubulaire selon l’une des revendications 1 à 15 dans lequel : - en phase de décharge, le fluide caloporteur chargé en humidité entre dans la colonne en écoulement ascendant ou descendant par un des moyens d’entrée (6) ou (7), est distribué dans le lit de zéolithe au moyen des tubes de distribution (10) et entre en contact avec la zéolithe via les orifices (11), sur laquelle il s’adsorbe en libérant son humidité, ce qui génère de la chaleur qui est transmise au fluide caloporteur, avantageusement à une température comprise entre 50 et 300°C, de préférence comprise entre 50 et 250°C, de manière très préférée entre 90 et 220 °C, ledit fluide caloporteur chaud et sec ressort ensuite du lit de zéolithe via les tubes de collecte (10) perforés à la paroi vers un des moyens de sortie (6) ou (7) situés à l’extrémité opposée de la colonne ; -en phase de charge ou régénération, le fluide de régénération, de préférence le fluide caloporteur chaud et sec, est alimenté en sens inverse de l’écoulement lors de la phase de décharge, par un des moyens de sortie (7) ou (6), est distribué dans le lit de zéolithe au moyen des tubes de collecte (10) et entre en contact avec la zéolithe via les orifices (11), dont il désorbe l’eau en libérant sa chaleur et ressort ensuite du lit de zéolithe via les tubes de distribution (10) perforés à la paroi et sort par un des moyens d’entrée (6) ou (7) du fluide caloporteur.