Optistol: optimisation multiobjectif du dimensionnement et de la gestion du stockage thermique d'un système solaire thermique

Topic description

Contexte

La transition énergétique impose de repenser la gestion de l’énergie dans les bâtiments, notamment en maximisant l’efficacité des énergies renouvelables. Les systèmes solaires thermiques, bien qu’essentiels pour la production d’eau chaude sanitaire et le chauffage, voient leur rendement limité par l’intermittence quotidienne liée aux conditions climatiques et par les pertes thermiques dans les systèmes de stockage. Ces défis soulignent la nécessité de développer des systèmes énergétiques complexes et dynamiques, où la phase de contrôle joue un rôle clé pour maximiser les performances globales.

Le stockage thermique intersaisonnier dans le sol à faible profondeur [1] offre une solution passive et durable pour stocker sur plusieurs semaine l’excédent de chaleur produit l’été dans le sol, à faible profondeur. Cette solution présente plusieurs avantages, dont une inertie thermique naturelle, un faible impact environnemental ou une compatibilité avec les infrastructures existantes. Cependant, son déploiement se heurte à des verrous scientifiques et techniques :

1. Modélisation des transferts thermiques : les échanges de chaleur entre le sol, les capteurs et les stockages sont complexes, voire mulitphysiques, et dépendent entre autres de facteurs climatiques (température extérieure, précipitations) [2], [3].
2. Optimisation du dimensionnement : les dimensions et la géométrie des échangeurs enterrés doivent être adaptées aux besoins spécifiques et aux contraintes locales [4], [5].
3. Gestion dynamique : le système doit être capable de basculer entre stockage journalier et intersaisonnier en fonction des apports solaires et des besoins, ce qui nécessite des algorithmes de contrôle [6], [7].

Ce projet de thèse s’inscrit dans la continuité des travaux menés au sein de l’équipe PTR4 de l’IRDL. Des travaux préliminaires ont déjà permis de développer et d’instrumenter deux dispositifs expérimentaux de stockage thermique :

4. Un banc d’essai à l’échelle laboratoire, permettant des tests contrôlés et reproductibles.
5. Un prototype installé dans le sol, sous un système de capteurs solaires thermiques, pour évaluer le stockage souterrain horizontal à faible profondeur.

De plus, des modèles numériques sont en cours de développement sur le stockage souterrain horizontal, enterré à faible profondeur.

Travail proposé

L’objectif premier de ce projet est donc de compléter et d’approfondir les travaux existants, en optimisant le système énergétique composé de capteurs thermiques et de stockage souterrain selon des critères énergétiques (maximisation du rendement des capteurs et minimisation des pertes thermiques), économiques (minimisation des CAPEX et OPEX, maximisation du taux de couverture solaire) et environnementaux (minimisation de l’empreinte carbone du système). Les verrous scientifiques tiennent d’une part dans la complexité du système énergétique étudié et d’autre part dans le caractère dynamique et stochastique des sollicitations du système à optimiser.

En second lieu, la surstratification dans les ballons de stockage journalier à l’aide d’une pompe à chaleur immergée sera étudiée. Cette méthode active permet d’augmenter le gradient thermique dans les ballons de stockage journalier, et ainsi d’optimiser la production solaire même en conditions défavorables. Proposer un modèle validé de cette nouvelle approche innovante de la gestion du stockage thermique constitue le verrou scientifique à lever.

Étapes clés du projet

6. Validation expérimentale du modèle de stockage thermique dans le sol Expliter des données expérimentales et définition des essais complémentaires Améliration du modèle numérique et intégration des lois de contrôle efficaces Validatin du modèle numérique
7. Optimisation multi-objectifs Optimisatin énergétique du système Dévelppement d’un modèle économique à l’aide d’une Analyse des Coûts du Cycle de Vie (ACCV) et ptimisation technico-énergétique du système Dévelppement d’un modèle environnemental à l’aide d’une Analyse du Cycle de Vie (ACV) et ptimisation technico-énergétique et environnementale du système
8. Étude de l’approche innovante de la gestion du stockage thermique Dévelppement d’un modèle et dimensionnement de la pompe à chaleur Analyse de la slution avec ou sans stockage intersaisonnier

Environnement de travail et ressources

Le doctorant bénéficiera pendant sa thèse de l’environnement technique et des ressources du PTR4 du laboratoire IRDL afin de réaliser les modélisations et les expériences et d’effectuer leur analyse. Le travail sera supervisé par deux enseignants-chercheurs.

Références

[1] D. Le Roux, H. Noël, A. Fuentes, and T. Colinart, ‘Review on horizontal underground thermal energy storage (HUTES)’, J. Energy Storage, vol., p., Feb., doi: 10./j.est...

[2] M. Cuny, J. Lin, M. Siroux, and C. Fond, ‘Influence of rainfall events on the energy performance of an earth-air heat exchanger embedded in a multilayered soil’, Renew. Energy, vol., pp. –, Mar., doi: 10./j.renene..01..

[3] Y. Shi, F. Xu, X. Li, Z. Lei, Q. Cui, and Y. Zhang, ‘Comparison of influence factors on horizontal ground heat exchanger performance through numerical simulation and gray correlation analysis’, Appl. Therm. Eng., vol., p., Aug., doi: 10./j.applthermaleng...

[4] J. Immonen and K. M. Powell, ‘Dynamic optimization with flexible heat integration of a solar parabolic trough collector plant with thermal energy storage used for industrial process heat’, Energy Convers. Manag., vol., p., Sep., doi: 10./j.enconman...

[5] M. Mehrpooya, H. Hemmatabady, and M. H. Ahmadi, ‘Optimization of performance of Combined Solar Collector-Geothermal Heat Pump Systems to supply thermal load needed for heating greenhouses’, Energy Convers. Manag., vol. 97, pp. –, Jun., doi: 10./j.enconman..03..

[6] I. Cupeiro Figueroa, M. Cimmino, and L. Helsen, ‘A Methodology for Long-Term Model Predictive Control of Hybrid Geothermal Systems: The Shadow-Cost Formulation’, Energies, vol. 13, no. 23, p., Jan., doi: 10./en.

[7] Z. Zhang, Y. Zhou, X. Xin, J. Qian, and Y. Liu, ‘A day-ahead operation regulation method for solar water heating based on model predictive control’, Energy Build., vol., p., Dec., doi: 10./j.enbuild..

Starting date

-10-05

Funding category

Public/private mixed funding

Funding further details