FR3018600A1 - DIFFUSIVE THERMAL STORAGE DEVICE USING SILICON CARBIDE - Google Patents
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Abstract
- Dispositif (1) de stockage thermique en sous-sol proche hors d'eau comprenant au moins un échangeur thermique (3) placé dans au moins un puits (2), dans lequel le puits (2) est colmaté par une composition (4) comprenant du carbure de silicium sous une forme pulvérulente.- Device (1) for thermal storage in the near-water subsoil comprising at least one heat exchanger (3) placed in at least one well (2), in which the well (2) is sealed with a composition (4) ) comprising silicon carbide in a powder form.
Description
La présente invention concerne le domaine technique du stockage thermique en sous-sol, et en particulier le stockage en sous-sol proche et hors d'eau. L'invention concerne notamment un dispositif de stockage thermique en sous-sol proche hors d'eau comprenant un échangeur thermique placé dans un puits colmaté.The present invention relates to the technical field of thermal storage in the basement, and in particular underground storage near and out of water. The invention relates in particular to a thermal storage device in the near-water subsoil comprising a heat exchanger placed in a sealed well.
Actuellement, le géostockage thermique se fait principalement dans des nappes aquifères. Les calories, recueillies en surface, sont utilisées pour chauffer l'eau présente dans la nappe. Ces calories peuvent être ensuite récupérées en temps utiles et utilisées notamment pour le chauffage des habitations. Toutefois, il existe des zones où les nappes aquifères ne sont pas accessibles et/ou 10 pas utilisables pour le stockage de la chaleur. Ainsi, alternativement ou complémentairement, on peut stocker des calories directement dans des masses rocheuses. Cette technique, appelée géostockage thermique diffusif, met en oeuvre des transferts thermiques avec le massif rocheux encaissant assurés par des échangeurs thermiques verticaux mis en place dans des 15 forages colmatés. Le couplage thermique entre l'échangeur thermique et le massif rocheux encaissant est assuré par le matériau de colmatage. Habituellement, le colmatage de ces forages, et donc le couplage thermique, est effectué par un matériau argileux mis en place sous forme de coulis hydraté (contenant 20 de l'eau) remplissant le forage. Par ailleurs, les échangeurs thermiques classiques (sondes géothermiques verticales) sont toujours mis en oeuvre en milieu partiellement ou totalement saturé. C'est pourquoi des matériaux argileux imperméables de type bentonite sont utilisés jusqu'à présent. Dans ce cadre, les caractéristiques du couplage thermique sont essentielles pour 25 garantir la puissance d'échange thermique entre l'échangeur thermique et le massif rocheux. Cependant, pour des conditions de géostockage thermique où les températures de fonctionnement franchissent les températures de changement de phase de l'eau (0°C et 100°C), les changements de phase de l'eau engendrent des discontinuités (des 30 fissures de retrait par exemple) dans le matériau de colmatage. Ces discontinuités diminuent fortement la qualité du couplage thermique. La présente invention a pour objet un dispositif amélioré de stockage thermique en sous-sol proche hors d'eau, basé sur l'utilisation d'un matériau de colmatage non hydraté sous forme pulvérulente, pour assurer le couplage du massif rocheux et de 35 l'échangeur thermique. Le dispositif selon l'invention comprend au moins un échangeur thermique placé dans au moins un puits, le puits étant colmaté par une composition comprenant du carbure de silicium sous une forme pulvérulente. Le dispositif selon l'invention est plus facile et moins onéreux à mettre en place que les dispositifs de l'art antérieur. Par ailleurs, le dispositif selon l'invention présente un rendement thermique supérieur aux rendements observés précédemment. Finalement, l'utilisation d'une forme pulvérulente sèche est le seul moyen permettant un couplage thermique garanti si les températures de changement de phase de l'eau (0°C et 100°C) doivent être franchies par le procédé de géostockage thermique. Selon un mode de réalisation, la composition comprend plus de 99% de carbure de silicium.Currently, thermal geostorage is mainly in aquifers. The calories, collected at the surface, are used to heat the water present in the aquifer. These calories can then be recovered in good time and used especially for heating homes. However, there are areas where the aquifers are not accessible and / or not usable for heat storage. Thus, alternatively or additionally, one can store calories directly in rock masses. This technique, called diffusive thermal geostorage, implements thermal transfers with the surrounding rock mass assured by vertical heat exchangers set up in 15 sealed holes. The thermal coupling between the heat exchanger and the surrounding bedrock is ensured by the clogging material. Usually, the clogging of these holes, and thus the thermal coupling, is carried out by a clay material set up in the form of hydrated slurry (containing water) filling the borehole. In addition, conventional heat exchangers (vertical geothermal probes) are always used in a partially or totally saturated medium. This is why impervious bentonite clay materials have been used until now. In this context, the characteristics of the thermal coupling are essential to guarantee the heat exchange power between the heat exchanger and the rock mass. However, for thermal geostocking conditions where the operating temperatures cross the water phase change temperatures (0 ° C and 100 ° C), the phase changes of the water cause discontinuities (cracks in the water). shrinkage for example) in the clogging material. These discontinuities greatly reduce the quality of the thermal coupling. The subject of the present invention is an improved thermal storage device in the near-water subsoil, based on the use of an unhydrated sealing material in pulverulent form, to ensure the coupling of the rock mass and the 'heat exchanger. The device according to the invention comprises at least one heat exchanger placed in at least one well, the well being clogged with a composition comprising silicon carbide in a powder form. The device according to the invention is easier and less expensive to set up than the devices of the prior art. Moreover, the device according to the invention has a thermal efficiency greater than the yields observed previously. Finally, the use of a dry powder form is the only way to achieve a guaranteed thermal coupling if the phase change temperatures of the water (0 ° C and 100 ° C) are to be crossed by the thermal geostocking process. According to one embodiment, the composition comprises more than 99% of silicon carbide.
Le carbure de silicium peut préférentiellement avoir une distribution granulométrique comprise entre 2iim et 5mm. Selon l'invention, le puits peut comporter entre 25 et 500 kg/m3 de carbure de silicium, il peut avoir une profondeur comprise entre 5m et 50m, et il peut avoir un volume compris entre 0.3m3 et 150m3.The silicon carbide may preferentially have a particle size distribution of between 2 μm and 5 mm. According to the invention, the well may comprise between 25 and 500 kg / m 3 of silicon carbide, it may have a depth of between 5 m and 50 m, and it may have a volume of between 0.3 m 3 and 150 m 3.
Enfin, selon un mode réalisation, le puits est colmaté uniquement par la composition. L'invention concerne également un procédé de stockage thermique en sous-sol proche hors d'eau, dans lequel on réalise les étapes suivantes : (a) un puits est creusé à l'aide d'une machine de forage dans le sous-sol proche hors d'eau ; (b) un échangeur thermique est disposé dans le puits ; (c) le carbure de silicium (SiC) pulvérulent est mis en place par versement et compactage dans le but de colmater ce puits et d'assurer une continuité thermique entre l'échangeur thermique et le sous-sol encaissant le puits ; (d) l'échangeur thermique est rempli d'un fluide caloporteur mis en circulation. 25 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la figure 1, fournie à titre d'exemple non limitatif, qui présente une vue schématique d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. 30 On se réfère maintenant à la figure 1. Le dispositif (1) de stockage thermique en sous-sol proche hors d'eau, selon l'invention, comprend : au moins un puits (2) ; au moins un échangeur thermique (3) placé dans ledit puits ; une composition (4)pour colmater ledit puits (2), ladite composition 35 comprenant du carbure de silicium (SiC) sous forme pulvérulente. Dans le cadre de la présente invention, le terme « sous-sol proche » fait référence à la fraction du sous-sol comprise entre 0 et 50 m. Dans le cadre de la présente invention, le terme « hors d'eau » fait référence au fait que le puits n'est pas en contact avec une nappe aquifère.Finally, according to one embodiment, the well is clogged only by the composition. The invention also relates to a method of thermal storage in the subsoil near out of water, wherein the following steps are carried out: (a) a well is dug using a drilling machine in the basement near out of water; (b) a heat exchanger is disposed in the well; (c) the pulverulent silicon carbide (SiC) is put in place by pouring and compacting in order to seal this well and to ensure thermal continuity between the heat exchanger and the basement surrounding the well; (d) the heat exchanger is filled with a circulating heat transfer fluid. The invention will be better understood on reading FIG. 1, provided by way of nonlimiting example, which presents a schematic view of an embodiment of a device according to the invention. Turning now to FIG. 1, the device (1) for thermal storage in the near-underground cell, according to the invention, comprises: at least one well (2); at least one heat exchanger (3) placed in said well; a composition (4) for sealing said well (2), said composition comprising silicon carbide (SiC) in powder form. In the context of the present invention, the term "near subsoil" refers to the fraction of the subsoil between 0 and 50 m. In the context of the present invention, the term "out of water" refers to the fact that the well is not in contact with an aquifer.
Le puits (2) Le stockage thermique consiste à stocker de la chaleur dans une partie (5) du sous-sol. A cette fin, on fore un puits (2), suivant les techniques classiques de forage vertical d'ouvrages superficiels, dans une partie (5) du sous-sol de façon à mettre en relation cette partie avec une source de chaleur.Well (2) Thermal storage consists of storing heat in a part (5) of the subsoil. To this end, a well (2) is drilled, using conventional vertical drilling techniques of superficial structures, in a part (5) of the subsoil so as to relate this part to a source of heat.
La partie (5) du sous-sol proche hors d'eau encaissant le puits, appelée aussi géostock, est une masse rocheuse en place, au sein du massif rocheux hors d'eau dans lequel on met en place le stockage thermique. Il peut s'agir par exemple d'une masse de granite. Selon un mode de réalisation, le puits (2) a une profondeur comprise entre 5m et 15 50m. Selon un mode de réalisation, le puits (2) a un volume compris entre 0.3m3 et 150m3. L'échangeur thermique (3) La technique de stockage thermique diffusif permettant de constituer un stockage 20 thermique est décrite par exemple dans le document suivant : T. Schmidt, O. Miedaner, septembre 2011, « Solar district heating Fact sheet 7.2-1 », p. 1-12 Le transfert thermique diffusif avec le massif rocheux encaissant est réalisé par des échangeurs thermiques implantés verticalement, avec une densité approximative d'un 25 échangeur par m2. Les échangeurs sont positionnés dans des forages (2). Un échangeur thermique est un dispositif enterré faisant circuler sans échange de matière avec le sous-sol un fluide caloporteur, avec comme objectif un transfert thermique diffusif entre le fluide caloporteur et le sous-sol encaissant le dispositif enterré. 30 L'échangeur thermique peut être un échangeur simple en U, un échangeur thermique en double U, un échangeur thermique coaxial, un échangeur thermique en spirale, ou un échangeur thermique en cuve. Lorsque le dispositif selon l'invention comporte plusieurs échangeurs, une combinaison de ces types d'échangeur est possible. 35 Par exemple, les échangeurs thermiques peuvent être des cuves cylindriques de hauteur sensiblement égale à la hauteur d'un géostock thermique, dans laquelle circule un fluide caloporteur qui échange sa chaleur avec le massif encaissant par conduction thermique à travers la paroi de l'échangeur. Ainsi, les échangeurs thermiques peuvent être des cuves cylindriques de 40 cm de diamètre et de 15m de hauteur dans le cas d'un géostock de 15m de hauteur. L'échangeur en cuve permet d'améliorer la cinétique du transfert thermique entre le 5 fluide caloporteur et le massif. De préférence, l'échangeur (3) du dispositif selon l'invention comporte un moyen permettant de faire circuler le fluide caloporteur. Ce moyen peut être une conduite de type connu des spécialistes, et formant un circuit. Le fluide caloporteur peut être de l'eau, de l'huile ou du CO2dans un état liquide, gazeux, supercritique, ou une 10 combinaison de ces états physiques. La composition de colmatage (4) Une composition de colmatage entre l'échangeur et l'encaissant rocheux est introduite dans le puits, et fait partie du dispositif selon l'invention. Elle permet de sceller 15 l'échangeur thermique (3) dans l'encaissant rocheux et de garantir un couplage thermique adéquat entre l'échangeur thermique (3) et le massif rocheux (5). Selon l'invention, la composition comprend du carbure de silicium (SiC) sous forme pulvérulente. On appelle forme pulvérulente, une composition ne contenant pas d'eau, et 20 comportant des éléments dont la taille n'excède pas 5mm. En situation hors d'eau, comme dans le cadre du géostockage thermique diffusif, le carbure de silicium, notamment grâce à ses propriétés thermophysiques, constitue un matériau adéquat pour le remplissage du forage d'un échangeur géothermique car : la conductivité thermique du carbure de silicium monocristallin est élevée, 25 supérieure à 140 W.rn-1.K-1, et assure donc un bon couplage thermique entre l'échangeur géothermique et le massif encaissant. Pour comparaison, la conductivité thermique de l'oxyde d'aluminium monocristallin est de l'ordre de 30 wm_i.K_1. l'effet électrostatique du carbure de silicium (SiC) est faible par rapport à d'autres 30 matériaux ayant une conductivité thermique adaptée au couplage thermique, tel que l'oxyde d'aluminium. Cette propriété est importante pour la formation de composition pulvérulente. En effet, l'effet électrostatique est un phénomène qui tend à agglomérer des particules ultrafines (quelques microns) entre-elles, entravant donc la réalisation d'un mélange pulvérulent avec une répartition granulométrique 35 optimale, c'est-à-dire permettant d'obtenir une compacité maximale du produit pulvérulent (et donc une conductivité thermique plus élevée). Ainsi, contrairement à l'oxyde d'aluminium par exemple, les produits ultrafins d'une composition pulvérulente de carbure de Silicium, ne s'agglomèrent pas entre eux pour des raisons électrostatiques. le coefficient de forme du carbure de silicium, suivant les procédés de fabrication standard, autorise, à fuseau granulométrique identique, une meilleure compacité, et donc un meilleur couplage thermique, que d'autres matériaux ayant une conductivité thermique adaptée au couplage thermique, tel que l'oxyde d'aluminium. le caractère inerte du point de vue physique et chimique du carbure de silicium dans les conditions thermiques du géostockage permet de conserver dans le temps la qualité du couplage thermique. le carbure de silicium possède un impact sanitaire très faible, il est notamment insoluble dans l'eau. le carbure de silicium est un produit industriel aisément disponible. Son conditionnement sous forme pulvérulente autorise une mise en place directe par versement et compactage par vibration du produit dans l'espace compris entre l'échangeur thermique (3) et la paroi du puits (2). L'utilisation d'une forme pulvérulente permet d'obtenir un couplage thermique s'affranchissant des problèmes de changement de phase de l'eau. Selon un mode de réalisation, la composition (4) comprend plus de 99% de carbure de silicium. Selon un mode de réalisation, le carbure de silicium à une distribution granulométrique comprise entre 2iim et 5mm. Selon un mode de réalisation, le puits (2) comprend entre 25 et 500 kg/m3 de carbure de silicium.Part (5) of the near-water basement surrounding the well, also called geostock, is a rock mass in place, within the rock mass out of water in which the thermal storage is put in place. It may be for example a mass of granite. According to one embodiment, the well (2) has a depth of between 5m and 50m. According to one embodiment, the well (2) has a volume of between 0.3m3 and 150m3. The heat exchanger (3) The diffusive thermal storage technique for constituting a thermal storage is described, for example, in the following document: T. Schmidt, O. Miedaner, September 2011, "Solar district heating Fact sheet 7.2-1" , p. The diffusive thermal transfer with the surrounding bedrock is carried out by vertically located heat exchangers with an approximate density of one exchanger per square meter. The exchangers are positioned in boreholes (2). A heat exchanger is a buried device circulating without exchange of material with the subsoil a heat transfer fluid, with the objective of diffusive thermal transfer between the heat transfer fluid and the basement surrounding the buried device. The heat exchanger may be a single U-shaped heat exchanger, a double-U heat exchanger, a coaxial heat exchanger, a spiral heat exchanger, or a tank heat exchanger. When the device according to the invention comprises several exchangers, a combination of these types of exchanger is possible. For example, the heat exchangers may be cylindrical vessels of height substantially equal to the height of a thermal geostock, in which circulates a heat transfer fluid which exchanges its heat with the host mass by thermal conduction through the wall of the exchanger . Thus, the heat exchangers can be cylindrical vessels of 40 cm in diameter and 15 m in the case of a geostock of 15m height. The exchanger in the tank makes it possible to improve the kinetics of the heat transfer between the heat transfer fluid and the solid mass. Preferably, the exchanger (3) of the device according to the invention comprises means for circulating the heat transfer fluid. This means can be a type of pipe known to those skilled in the art and forming a circuit. The heat transfer fluid may be water, oil or CO2 in a liquid, gaseous, supercritical state, or a combination of these physical states. The clogging composition (4) A clogging composition between the exchanger and the rocky bed is introduced into the well, and is part of the device according to the invention. It makes it possible to seal the heat exchanger (3) in the rocky bed and to guarantee an adequate thermal coupling between the heat exchanger (3) and the rock mass (5). According to the invention, the composition comprises silicon carbide (SiC) in pulverulent form. The term "pulverulent form" means a composition which does not contain water, and which comprises elements the size of which does not exceed 5 mm. In an out-of-water situation, as in the context of diffusive thermal geostocking, silicon carbide, thanks in particular to its thermophysical properties, is a suitable material for filling the borehole of a geothermal heat exchanger because: the thermal conductivity of the carbide of monocrystalline silicon is high, greater than 140 W.rn-1.K-1, and thus ensures a good thermal coupling between the geothermal heat exchanger and the massive container. For comparison, the thermal conductivity of the monocrystalline aluminum oxide is of the order of 30 wm_i.K_1. the electrostatic effect of silicon carbide (SiC) is low compared to other materials having thermal conductivity suitable for thermal coupling, such as aluminum oxide. This property is important for the formation of powdery composition. Indeed, the electrostatic effect is a phenomenon that tends to agglomerate ultrafine particles (a few microns) between them, thus hindering the production of a powder mixture with an optimal particle size distribution, that is to say to allow obtain a maximum compactness of the powdery product (and therefore a higher thermal conductivity). Thus, unlike aluminum oxide for example, ultrafine products of a pulverulent composition of silicon carbide do not agglomerate with each other for electrostatic reasons. the shape coefficient of the silicon carbide, according to the standard manufacturing processes, allows, in the same size range, a better compactness, and therefore a better thermal coupling, than other materials having a thermal conductivity adapted to the thermal coupling, such as aluminum oxide. the inert nature of the physical and chemical point of view of silicon carbide under the thermal conditions of geostocking makes it possible to preserve the quality of the thermal coupling over time. silicon carbide has a very low health impact, it is particularly insoluble in water. silicon carbide is a readily available industrial product. Its packaging in powder form allows direct placement by pouring and vibratory compaction of the product in the space between the heat exchanger (3) and the wall of the well (2). The use of a pulverulent form makes it possible to obtain a thermal coupling that eliminates water phase change problems. According to one embodiment, the composition (4) comprises more than 99% of silicon carbide. According to one embodiment, the silicon carbide has a particle size distribution of between 2 μm and 5 mm. According to one embodiment, the well (2) comprises between 25 and 500 kg / m 3 of silicon carbide.
Selon un mode de réalisation, le puits (2) est colmaté uniquement par la composition (4). Ainsi, selon un mode de réalisation préféré, on colmate le puits qu'avec une composition ne contenant que du carbure de silicium ayant une distribution granulométrique comprise entre 2iim et 5mm. L'utilisation d'une composition totalement déshydratée, et ne comportant qu'un seul élément est possible, du fait des propriétés thermophysiques du carbure de silicium. L'invention concerne également un procédé de stockage thermique en sous-sol proche hors d'eau, dans lequel on réalise les étapes suivantes : (a) un puits est creusé à l'aide d'une machine de forage dans le sous-sol proche hors d'eau ; (b) un échangeur thermique est disposé dans le puits ; (c) le carbure de silicium (SiC) pulvérulent est mis en place par versement et compactage par vibration du produit dans l'espace compris entre l'échangeur thermique et la paroi du puits dans le but de colmater ce puits et d'assurer une continuité thermique entre l'échangeur thermique et le sous-sol encaissant le puits ; (d) l'échangeur thermique est rempli du fluide caloporteur ; (e) le fluide caloporteur est mis en circulation, rendant le dispositif opérationnel pour le stockage thermique.According to one embodiment, the well (2) is clogged only by the composition (4). Thus, according to a preferred embodiment, the well is sealed with a composition containing only silicon carbide having a particle size distribution between 2iim and 5mm. The use of a totally dehydrated composition, and having only one element is possible, due to the thermophysical properties of silicon carbide. The invention also relates to a method of thermal storage in the subsoil near out of water, wherein the following steps are carried out: (a) a well is dug using a drilling machine in the basement near out of water; (b) a heat exchanger is disposed in the well; (c) the pulverulent silicon carbide (SiC) is put in place by pouring and vibratory compaction of the product into the space between the heat exchanger and the well wall in order to seal the well and to ensure thermal continuity between the heat exchanger and the basement surrounding the well; (d) the heat exchanger is filled with the heat transfer fluid; (e) the heat transfer fluid is circulated, making the device operational for thermal storage.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier.The invention is not limited to the embodiments presented and other embodiments will become apparent to those skilled in the art.
Claims (8)
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