Étude d'un système hydropneumatique de stockage d'énergie utilisant une pompe/turbine rotodynamique

Le développement croissant de systèmes de stockages connectés au réseau électrique se voit stimulé par les problématiques de gestion de réseau liés entre autres à l'intégration croissante de technologies de production renouvelables. L'accumulation hydropneumatique d'énergie apparait comme une solution propre et économiquement intéressante dans le panel des technologies existantes. Cette étude analyse une configuration d'accumulation air-eau sans séparation, en cycle fermé et utilisant une pompe/turbine rotodynamique. Les principales problématiques en relation à ces choix techniques sont : les phénomènes de transfert de masse et de chaleur à l'interface air-eau, les caractéristiques de fonctionnement d'une machine hydraulique rotodynamique en régime d'opération variable et le rendement d'accumulation du système. Ces aspects sont traités ici par des approches locales dans certains cas, puis globales afin de pouvoir proposer un modèle de comportement dynamique du système de stockage pouvant faire l'objet de simulations rapides. Les aspects de modélisation ont été élaborés en parallèle au développement d'un banc d'essais de 45 kW réalisé dans le cadre de ce travail. Les observations expérimentales obtenues sur ce banc sont comparées aux résultats du modèle qui rend bien compte de la dynamique et de l'état énergétique du système. Des études d'amélioration du système sont engagées à la fin du document. Elles concernent d'une part la question de la flexibilité de fourniture de puissance et d'autre part le rendement d'accumulation du réservoir de stockage.The present increasing development of storage systems connected to electrical network is stimulated by network management issues related to recent energetic landscape evolutions such as the increasing integration of renewable production sources. The hydro-pneumatic system seems to offer a clean and cheap energy storage solution among the set of existing storage technics. The present study analyses an air-water direct contact accumulation configuration, in closed cycle and using a rotodynamic pump/turbine. The main points of interest related to these technical choices are: the air-water interface mass and heat phenomena, variable operating point performances of a rotodynamic hydraulic machine and the overall efficiency of the storage device. These aspects are studied by, in some cases, a local approach, and then a global one in order to propose a dynamic behaviour model of the storage system suitable for rapid simulations. The modelling aspects were treated in parallel to the development of a 45 kW test rig built during this project. The experimental observations made on this test rig are compared to the modelling results that represent correctly the dynamics and energetic state of the system. At the end of this document, some studies for the improving of the power delivery flexibility and efficiency increasing of the accumulation element are engaged.PARIS-Arts et Métiers (751132303) / SudocSudocFranceF

Modeling of Hydro-Pneumatic Energy Storage Using Pump Turbines

Modelling of a hydro-pneumatic energy storage system is presented in this paper. Hydro pneumatic storage aims to combine the good efficiency of hydraulic energy conversion and the space flexibility of pneumatic storage. The project aims to model a prototype which uses a rotodynamic multi-stage pump-turbine to displace a virtual liquid piston to compress air. To facilitate mass and heat transfers between both phases, there is no separation between the water and the air. A dynamic model of the storage system is developed using block diagram methodology. It takes into account characteristic curves of the pump-turbine and thermodynamic equations. Modelling results show that vapour diffusion contributes to reducing compression final temperature. This implies an increase of storage efficiency. A test rig construction will begin at the end of autumn 2011. It will be electrically connected to the “Distributed Energies” platform of ‘’Arts et Métiers Paristech’’ in Lille.adem

Modelling and experimental studies on hydro-pneumatic energy storage using pump-turbines

On propose ici un modèle fonctionnel d’un système de stockage hydro-pneumatique d’énergie ainsi que la comparaison entre le comportement simulé et des observations expérimentales. L’intérêt de ce type de stockage est de combiner le bon rendement de la conversion d’énergie hydraulique et la flexibilité spatiale du stockage pneumatique. Le prototype modélisé utilise une pompe-turbine roto-dynamique multi-étagée déplaçant un piston liquide virtuel qui va comprimer l’air contenu dans un réservoir ‘’haute pression (HP)’’. Le modèle dynamique du système, développé sous forme de diagrammes fonctionnels, prend en compte les courbes caractéristiques de la machine hydraulique et les équations de la thermodynamique. Le modèle est complété par deux stratégies de commande afin de gérer la variation continue du point de fonctionnement : une stratégie de maintien du rendement et une autre basée sur la demande en puissance ; le paramètre commandé est la vitesse de rotation de la machine. Par l’étude du modèle, deux points sensibles sont mis en relief : la dépendance du rendement de stockage au coefficient d’échange de chaleur du réservoir HP et les limites de la régulation de puissance. Quelques solutions à ces problèmes ont été étudiées. Les premiers résultats expérimentaux donnent des observations qu’on retrouve par la modélisation. Ces observations vont servir à recaler certains paramètres du modèle qui servira à réaliser des études d’intégration dans le réseau électrique. Le banc d’essais doit être prochainement connecté au réseau de la plateforme ‘’énergies reparties’’ du centre Arts et Métiers ParisTech de Lille

Variable Mixing Chamber Waste-Heat Driven Ejector Cycle For CommercialRefrigeration

International audienceEjectors are commonly studied for heat-driven refrigeration systems. Constant mixing area ejectors are limited incooling capacity because of the presence of a shocked flow in the mixing chamber in normal conditions. Besides,this geometric constraint makes ejectors extremely sensitive to the outlet pressure variations usually associated withambient temperature variations; at high temperatures, ejectors can suddenly stall leading to zero power. The authordeveloped a variable mixing chamber ejector concept that helps in reducing the drawbacks of ejectors. It makes itpossible to increase the mixing chamber cross-sectional area at moderate temperatures and reduce it at hightemperatures. This results in an extended range of operation. In this paper, the benefits of using this new ejector as aheat-driven compressor booster stage are quantified. The ejector-based booster stage can be driven by low gradeheat or solar power. The variable mixing chamber ejector opening is adapted to the condensation temperature tomaximize the entrained flow rate for every operating condition; this maximizes the cooling capacity whatever thecondensation temperature is. New system architecture for commercial refrigeration is explored in the paper. Thegains are computed by common thermodynamic models and a specific ejector reduced model derived from CFDmodeling. The refrigeration efficiency gains of the studied architectures are compared to a classical vaporcompression refrigeration system

Study of hydropneumatic energy storage device using a rotodynamique pump/turbine

Le développement croissant de systèmes de stockages connectés au réseau électrique se voit stimulé par les problématiques de gestion de réseau liés entre autres à l'intégration croissante de technologies de production renouvelables. L'accumulation hydropneumatique d'énergie apparait comme une solution propre et économiquement intéressante dans le panel des technologies existantes. Cette étude analyse une configuration d'accumulation air-eau sans séparation, en cycle fermé et utilisant une pompe/turbine rotodynamique. Les principales problématiques en relation à ces choix techniques sont : les phénomènes de transfert de masse et de chaleur à l'interface air-eau, les caractéristiques de fonctionnement d'une machine hydraulique rotodynamique en régime d'opération variable et le rendement d'accumulation du système. Ces aspects sont traités ici par des approches locales dans certains cas, puis globales afin de pouvoir proposer un modèle de comportement dynamique du système de stockage pouvant faire l'objet de simulations rapides. Les aspects de modélisation ont été élaborés en parallèle au développement d'un banc d'essais de 45 kW réalisé dans le cadre de ce travail. Les observations expérimentales obtenues sur ce banc sont comparées aux résultats du modèle qui rend bien compte de la dynamique et de l'état énergétique du système. Des études d'amélioration du système sont engagées à la fin du document. Elles concernent d'une part la question de la flexibilité de fourniture de puissance et d'autre part le rendement d'accumulation du réservoir de stockage.The present increasing development of storage systems connected to electrical network is stimulated by network management issues related to recent energetic landscape evolutions such as the increasing integration of renewable production sources. The hydro-pneumatic system seems to offer a clean and cheap energy storage solution among the set of existing storage technics. The present study analyses an air-water direct contact accumulation configuration, in closed cycle and using a rotodynamic pump/turbine. The main points of interest related to these technical choices are: the air-water interface mass and heat phenomena, variable operating point performances of a rotodynamic hydraulic machine and the overall efficiency of the storage device. These aspects are studied by, in some cases, a local approach, and then a global one in order to propose a dynamic behaviour model of the storage system suitable for rapid simulations. The modelling aspects were treated in parallel to the development of a 45 kW test rig built during this project. The experimental observations made on this test rig are compared to the modelling results that represent correctly the dynamics and energetic state of the system. At the end of this document, some studies for the improving of the power delivery flexibility and efficiency increasing of the accumulation element are engaged

About the effect of two-phase flow formulations on shock waves in flash metastable expansions

International audienceTwo-phase expanders are promising conversion machines that could help in increasing the energy efficiency of several systems such as heat-to-power plants, liquefaction processes or chillers. Expansion of two-phase flow is complex to model since the dynamics of the liquid-gas interactions are depend on several factors. This work gives a preliminary insight on the effect of various formulations for liquid-gas interaction terms on the shock waves that may occur in over-expanded flash nozzles. The case study is a water thrust nozzle from literature designed for geothermal energy conversion at inlet temperatures close to 150°C. The compared formulations differ mainly on the homogeneity assumptions regarding momentum and energy equations. The simulations results suggest that these assumptions have a fundamental effect on the flow behavior close to the outlet of the nozzle and in particular on the presence or not of the shock waves. This has meaningful consequences on the efficiency of the nozzle

Étude d’un système hydropneumatique de stockage d’énergie utilisant une pompe/turbine rotodynamique

The present increasing development of storage systems connected to electrical network is stimulated by network management issues related to recent energetic landscape evolutions such as the increasing integration of renewable production sources. The hydro-pneumatic system seems to offer a clean and cheap energy storage solution among the set of existing storage technics. The present study analyses an air-water direct contact accumulation configuration, in closed cycle and using a rotodynamic pump/turbine. The main points of interest related to these technical choices are: the air-water interface mass and heat phenomena, variable operating point performances of a rotodynamic hydraulic machine and the overall efficiency of the storage device. These aspects are studied by, in some cases, a local approach, and then a global one in order to propose a dynamic behaviour model of the storage system suitable for rapid simulations. The modelling aspects were treated in parallel to the development of a 45 kW test rig built during this project. The experimental observations made on this test rig are compared to the modelling results that represent correctly the dynamics and energetic state of the system. At the end of this document, some studies for the improving of the power delivery flexibility and efficiency increasing of the accumulation element are engaged.Le développement croissant de systèmes de stockages connectés au réseau électrique se voit stimulé par les problématiques de gestion de réseau liés entre autres à l'intégration croissante de technologies de production renouvelables. L'accumulation hydropneumatique d'énergie apparait comme une solution propre et économiquement intéressante dans le panel des technologies existantes. Cette étude analyse une configuration d'accumulation air-eau sans séparation, en cycle fermé et utilisant une pompe/turbine rotodynamique. Les principales problématiques en relation à ces choix techniques sont : les phénomènes de transfert de masse et de chaleur à l'interface air-eau, les caractéristiques de fonctionnement d'une machine hydraulique rotodynamique en régime d'opération variable et le rendement d'accumulation du système. Ces aspects sont traités ici par des approches locales dans certains cas, puis globales afin de pouvoir proposer un modèle de comportement dynamique du système de stockage pouvant faire l'objet de simulations rapides. Les aspects de modélisation ont été élaborés en parallèle au développement d'un banc d'essais de 45 kW réalisé dans le cadre de ce travail. Les observations expérimentales obtenues sur ce banc sont comparées aux résultats du modèle qui rend bien compte de la dynamique et de l'état énergétique du système. Des études d'amélioration du système sont engagées à la fin du document. Elles concernent d'une part la question de la flexibilité de fourniture de puissance et d'autre part le rendement d'accumulation du réservoir de stockage

Wet to dry cycles for high temperature waste heat valorisation using a diphenylbiphenyl oxide mixture

International audienceWaste heat recovery at temperatures ranging from 300°C to 400°C suffers from a lack of working fluids supporting well such high temperatures. Biphenyl-diphenyl oxide mixtures could be used as high temperature working fluids thanks to their good thermal stability up to 400°C. The paper explores the possibility of using a eutectic mixture known as Dowtherm A in a ''wet to dry'' cycle for high temperature heat-to-power conversion. The paper presents first a Dowtherm A cycle alone for mechanical work and heat generation; the sensitivity of the cycle to the turbine inlet quality and to the hot source inlet temperature is analyzed. Then an ORC cascade is presented where the Dowtherm A is used in the topping cycle and toluene in the bottom cycle. The sensitivity to the hot source temperature and top cycle boiling temperature are presented. The simulations show that the mechanical power output can be increased compared to a standard cycle thanks to a better matching between the hot source and working fluid temperatures. Besides, the analysis shows that the value of the expansion inlet vapor quality leading to the maximal power output depends on the hot source temperature

Gas cooler heat driven sub-cooling system for CO2 chillers

The use of carbon dioxide (CO2) as a refrigerant can help in reducing the use of synthetic refrigerants. However, the use of CO2 is penalized at high ambient temperatures as those require operating in supercritical conditions. In this situation, the losses at the gas cooler represents up to 30% of the total entropy losses of the cycle. This paper presents a low GWP refrigerant ejector based sub-cooling system driven by the heat of the gas cooler. The paper presents the cycles modeling including the ejector mathematical model and the cycle optimization method. The refrigeration cycle architecture, the choice of the ejection cycle fluid, and the performance gain are discussed as well

Modeling and experimental analysis of direct contact heat exchangers for R718 refrigeration system

Natural refrigerants are taking an increasing place in the refrigeration market today. Water is one of the most abundant and safest working fluids. However, the literature on water based refrigeration systems is very scarce, in particular regarding experimental works. Besides, the design of heat exchangers for water-based systems is very specific. The design quality has a huge consequence on the performance and capacity of such systems. Thus, the development and validation of mathematical models used for the sizing and the design of such heat exchangers are very important. This paper presents mathematical models of direct contact lowpressure heat exchangers for steam evaporation and condensation. These models are part of a complete refrigeration system model developed on Dymola. The modeling results are compared to experiments done on a 10kW chiller. The Dymola model combined to a one-dimensional model of the heat exchanger predicts well the operating pressures and the heat transfer performances. The experimental results were also used to build empirical models of the global heat transfer coefficient. The heat transfer appears to be mainly affected by the steam to liquid flow rates fraction, the liquid flow rate and the condensing power