Study and hydraulic modeling of an energy storage system by dynamic control of a pump-turbine-valve circuit - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2022

Study and hydraulic modeling of an energy storage system by dynamic control of a pump-turbine-valve circuit

Etude et modélisation hydraulique d'un système de stockage d'énergie par pilotage dynamique d'un circuit pompes-turbines-vannes

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Abstract

A new method of compressed air energy storage at sea developed by the company SEGULA technologies is presented. REMORA is a storage system based on the quasi isothermal compression of air carried out by liquid pistons in the compression chambers. The latter are supplied by reversible centrifugal pumps which also act as turbines. The global system consists of elements forming a reversible energy cascade that can store energy in the form of compressed air in the underwater reservoirs or to return energy in the form of electricity in the electricity grid. The operating principle of REMORA is to always work at the nominal operating point of the pumps. This is why pumps operate at variable speed to continuously approach its nominal operating point. To optimize the operating range, a low-pressure pump and a high-pressure pump will have to take turns to supply the compression chambers. In addition, hydraulic valves are present at the inlet of each compression chamber and are connected to each pump by pipes. These valves open and close successively over a very short time depending on the state of compression or expansion of the air in each chamber. These valve switching events occur at the same time as rapid accelerations and decelerations of pump rotation speed that can induce transient flow into the system. The ODySEA demonstrator of the REMORA project with a few kW average power was built. Its objective is to analyse and simulate the various functions of the circuit during transient period. The experimental results are analysed in order to observe transient phenomena related to the rapid dynamics of the system, to verify the reliability of the REMORA concept, to detect possible problems and to remove the technological barriers. CFD modelling of the low-pressure pump is performed using STAR ccm+ calculation code in order to analyse in details the fluid flow in both modes (pump and turbine). The CFD model makes it possible to set up an elaborate pump model taking into account the different losses in the pump intended for the bond graph model. Finally, a dynamic model of the operation of the ODySEA hydraulic system, using the Bond Graph code, is proposed. A partial model, built on a simplified hydraulic circuit with two pumps and two liquids pistons, was developed and validated using the experimental results.
Une nouvelle méthode de stockage d’énergie par air comprimé basé en mer développé par l’entreprise Segula technologies est présentée. REMORA est un système de stockage basé sur la compression de l’air de manière quasi isotherme effectuée par des pistons liquides dans des chambres de compression. Ces dernières sont alimentées par des pompes centrifuges réversibles qui vont également travailler en mode récepteur en assumant le rôle de turbines. Le système global est composé d’éléments formant une cascade d’énergie réversible pouvant stocker de l’énergie sous forme d’air comprimé dans les réservoirs sous-marins ou de restituer l’énergie sous forme d’électricité dans le réseau électrique. Le principe de fonctionnement de REMORA est de toujours travailler au point de fonctionnement nominal des pompes. C’est pourquoi, les pompes fonctionnent à vitesse variable pour se rapprocher de manière continue de son point de fonctionnement nominal. Pour optimiser la plage de fonctionnement, une pompe basse pression et une pompe haute pression vont devoir se relayer pour alimenter les chambres de compression. De plus, des vannes hydrauliques sont présentes à l’entrée de chaque chambre de compression et sont reliées à chaque pompe par des conduites. Ces vannes s’ouvrent et se ferment successivement sur un temps très court en fonction de l’état de compression ou de détente de l’air dans chaque chambre. Ces commutations de vannes se produisent en même temps que des accélérations et des décélérations rapides de la vitesse de rotation des pompes pouvant induire l’apparition d’un écoulement transitoire dans le système. Le démonstrateur ODySEA du projet REMORA, d’une puissance de quelques kilowatts, a été construit. Son objectif est d’analyser et de simuler les différents fonctionnements du circuit en mode instationnaire. Les résultats expérimentaux sont analysés afin de d’observer les phénomènes instationnaires liés à la dynamique rapide du système, de vérifier la fiabilité du concept REMORA, de détecter les éventuels problèmes et de lever les verrous technologiques. Une modélisation CFD de la pompe basse pression est faite à l’aide du code de calcul STAR ccm+ dans le but d’analyser finement l’écoulement du fluide dans la pompe dans les deux modes (pompe et turbine). Le modèle CFD permet de mettre en place un modèle de pompe élaboré prenant en compte les différentes pertes dans la pompe destinée au modèle bondgraph. Enfin un modèle dynamique du fonctionnement du circuit hydraulique de ODySEA, à l’aide du code Bond Graph, est proposé. Un modèle partiel, construit sur un circuit simplifié comprenant deux pompes et deux pistons a été élaboré et validé à l’aide des résultats expérimentaux.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03675225 , version 1 (23-05-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03675225 , version 1

Cite

Naly Ratolojanahary. Etude et modélisation hydraulique d'un système de stockage d'énergie par pilotage dynamique d'un circuit pompes-turbines-vannes. Energie électrique. HESAM Université, 2022. Français. ⟨NNT : 2022HESAE013⟩. ⟨tel-03675225⟩
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