Le stockage de l’énergie constitue un enjeu majeur pour garantir la sécurité des réseaux électriques et favoriser le développement des énergies renouvelables. Véritable alternative aux stations de transfert d’énergie par pompage (STEP), le stockage d’énergie par air comprimé (CAES pour Compressed Air Energy Storage) fait partie des technologies les plus intéressantes. Dans les systèmes classiques utilisés actuellement, l’énergie de compression est perdue et l'air est préchauffé lors de la détente. Il en résulte une émission de CO2 et un rendement faible de l’ordre de 50%. Le système AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) vise à pallier ces deux inconvénients en stockant la chaleur de compression dans un régénérateur thermique et en la restituant avant la détente dans la turbine. Compte tenu des fortes sollicitations thermiques, mécaniques et cycliques que subit cet ouvrage, la conception d'un revêtement capable d'assurer la stabilité, l'isolation et l'étanchéité constitue un enjeu principal du système. Ce point crucial constitue l'axe principal autour duquel s'articule cette thèse. Une campagne d'essais en laboratoire a été mise en oeuvre pour étudier les comportements thermique, hydraulique et mécanique de tous les matériaux impliqués dans un régénérateur souterrain creusé dans une roche cristalline. Pour l'air humide, dont le comportement thermodynamique est mal connu dans la gamme des fortes températures et des pressions envisagées, un nouveau modèle théorique a été développé. De la même façon, un modèle thermo-hydro-mécanique a été développé pour un milieu poreux déformable saturé traversé par un fluide compressible. L'intégration de ce modèle dans un logiciel de calcul de structures par éléments finis a permis d’examiner plusieurs configurations de revêtement et d'étudier l’effet des mécanismes de couplage sur le champ de température et sur la stabilité mécanique. Afin de valider les développements effectués et les solutions de revêtement proposées, un prototype d’un régénérateur à échelle réduite combinant pression et température a été construit dans le laboratoire LITEN du CEA à Grenoble. Les résultats des expériences et des modélisations effectuées ont mis en évidence l'importance du phénomène de convection dans les briques isolantes du revêtement et la nécessité d'assurer l'étanchéité du système avant l'isolation thermique. / Energy storage is a major challenge to ensure the safety of electrical networks and to promote the development of renewable energies. Veritable alternative to Pumped Storage Hydropower (PSH), the energy storage using compressed air (for CAES Compressed Air Energy Storage) is one of the most interesting technologies. In conventional systems currently in use, the compression energy is lost and the air is preheated during the expansion phase. This results in emission of CO2 and a low efficiency of about 50%. The AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) aims to overcome these two drawbacks by storing the heat of compression in a thermal regenerator and restoring it before expansion in the turbine. Given the high thermal, mechanical and cyclic loading subject to the regenerator, the design of a lining capable of ensuring stability, insulation and sealing is a main issue of the system. This crucial point is the main axis around which this research is articulated. A laboratory testing campaign has been conducted to study the thermal, mechanical and hydraulic behavior of all materials involved in the underground regenerator excavated in a crystalline rock. For the humid air, whose thermodynamic behavior is not well studied within the range of the high foreseen temperatures and pressures, a new theoretical model was developed. In the same way, a thermo-hydro-mechanical model was developed for a deformable porous medium saturated with a compressible fluid. The implementation of this last model into a finite element numerical code was used to examine several lining configurations and to study the effect of coupling mechanisms on the temperature field and the mechanical stability. To validate the developments made and the proposed lining solutions, a prototype of a small scale regenerator combining temperature and pressure was built in the LITEN laboratory of CEA in Grenoble. The results of the conducted experiments and modeling revealed the importance of the convection phenomenon in the insulating bricks of the lining and the need to seal the system before thermal insulation.

Pour faire face aux changements climatiques, la transition énergétique s’impose aujourd’hui comme une évidence. Les sources d’énergie renouvelables devant aider à cette transition sont caractérisées par leurs intermittences qui requièrent des dispositifs de stockages afin de garantir la fiabilité des systèmes énergétique utilisant ces dernières. Le stockage d’électricité par air comprimé (CAES) est l’un de ces dispositifs de stockage d’énergie. Cependant, dans sa configuration actuellement commercialisée, le CAES brûle en phase de décharge du gaz naturel afin d’améliorer le rendement de conversion du système. Le présent travail contribue à la diminution de l’empreinte écologique de cette technique de stockage en proposant un système de taille réduite n’utilisant aucune source d’énergie fossile. Dans un premier temps, une modélisation thermodynamique fine d’un tel système est faite en fonction des types de composants choisis et de leurs comportements thermiques (adiabatique, polytropique). Une étude expérimentale visant à démontrer la faisabilité d’un tel système est par la suite réalisée sur un prototype de laboratoire. Le très faible rendement de conversion expérimental obtenu (4%), bien que confirmant la faisabilité technique nous a suggéré une optimisation du système de stockage proposé. L’algorithme génétique à codage réel, modifié afin de stabiliser et d’accélérer sa convergence est présenté de façon détaillée puis utilisé pour identifier un ensemble de 13 paramètres maximisant le rendement exergétique du système. Un rendement électrique de conversion d’environ 20% est obtenu sur le système optimisé pour un rendement énergétique global de plus de 75%. / To address climate change, the transition to a decarbonized energy system is self-evident. The renewable energy sources to support this energy transition are intermittent. Therefore, they should be coupled at an electrical storage system to ensure the reliability of power system using same. Compressed air energy storage (CAES) happens to be one of these technologies of energy storage. Unfortunately, in its current configuration, CAES requires the combustion of natural gas during the discharging periods to improve the global energy efficiency of system. This work contributes to the reduction of the environmental footprint of compressed air energy storage by proposing a small-scale CAES using no fossil fuel energy source. Initially, a careful thermodynamic modeling of such a storage system is made according to the types of components chosen and to their thermal behavior (adiabatic or polytropic). Subsequently, for demonstrating its feasibility, a comprehensive experimental investigation was performed on experimental prototype existing in our lab. The very low experimental conversion efficiency obtained (4%) although confirming the technical feasibility, it has suggested that the proposed storage system should be optimized. A modified real coded genetic algorithm to stabilize and accelerate its convergence is documented here and used to identify a set of thirteen parameters who maximize the global exergy efficiency of proposed electric energy storage system. The result of the optimization indicates that in the optimum operating point, the electrical efficiency of storage system is about 20% for a round trip efficiency of 75%.

En raison de la variabilité et de l'intermittence de l'énergie solaire photovoltaïque, son intégration à grande échelle dans le mix énergétique des micros réseaux intégrant différents moyens de production demeure compliquée. En plus, cette variabilité de la ressource solaire ne permet pas l’utilisation du photovoltaïque seul pour des systèmes énergétiques autonomes. Une des solutions pour surmonter ces handicaps est le stockage d'énergie qui est généralement basé sur l’utilisation de batteries lithium-ion. Cependant, leur coût élevé et leur impact négatif sur l'environnement lors de l'extraction de leurs matières premières et lors de leur destruction ou de leur recyclage en fin de vie forcent à rechercher d’autres moyens de stockage. Dans cette thèse,nous avons modélisé et simulé un système de stockage d'énergie basé sur l'air comprimé (Compressed Air Energy Storage : CAES) qui semble être une bonne alternative au système à batterie compte tenu des désavantages cités plus haut. Cette technologie à air comprimé consiste à augmenter la pression de l’air dans une enceinte par le biais d’un compresseur alimenté par une source électrique. À ce jour, les systèmes de stockage à air comprimé existant sont basés sur des configurations à grande puissance avec des réservoirs souterrains tels que d’anciennes mines de sel ou de charbon, dont le stockage se fait sur une longue durée. Dans cette étude, nous présentons la modélisation, la simulation et l’optimisation d’un système de stockage à air comprimé d'une dizaine de kilowatts destiné à alimenter un bâtiment universitaire à énergie positive de façon instantanée à l’opposé des systèmes existants. Le modèle conçu reflète le fonctionnement en régime dynamique du système global composé du bâtiment, du champ photovoltaïque, du réseau électrique et du module de stockage à air comprimé. L’optimisation effectuée permet le dimensionnement d’un système de stockage à air comprimé pour un meilleur rendement (environ 55 %). L’intégration d’un récupérateur de chaleur muni de résistance électrique et l’introduction d’un module de compression à vitesse variable permettent au bâtiment alimenté de tendre vers l’autonomie énergétique à l’image d’un système à batterie pour un site isolé. / Due to the variability and intermittency of renewable energy such as solar technology, its large-scale integration into the micro-grid of energy production remains complicated because the large-scale photovoltaic power plants directly connected to the electricity grid may create instabilities. In addition, this variability of the solar resource does not allow the use of photovoltaics for the stand-alone system. Dealing with these issues, one of the solutions for a deployment of renewables such as photovoltaic is the set-up of energy storage inside the grid. However, the most common technique is based on the use of lithium-ion batteries, which remains not environmentally friendly during the recycling or during the destruction after their use. So, the Compressed Air Energy Storage system (CAES) appears as a solution to this disadvantage. In fact, my thesis aims to study the feasibility of this kind of energy storage technology using a small and medium photovoltaic power plant, and its instant operation to supply electricity to the buildings and the unconnected areas. In this thesis, we present the modeling, simulation, and optimization of a ten-kilowatt compressed air storage system designed to supply instantly a building with real loads. The model performed reflects the dynamic operation of the overall system consisting of the building, the photovoltaic field, the electrical grid, and the compressed air storage module. The optimization carried out allows the sizing of a compressed air storage system with a better efficiency (about 55%). The integration of a heat recovery unit equipped with electrical resistance and the adding of a variable speed compression module allow the building to reach the energy autonomy as a battery system for a standalone site.

La contribution des sources d'énergie renouvelables dans le mix de la production d'électricité augmente largement. De ce fait, l'intégration des technologies de stockage d'énergie dans le réseau électrique devient inévitable afin de remédier aux inconvénients des sources renouvelables. Ainsi, l'objectif de cette thèse est d'évaluer la rentabilité, d'optimiser et d'étudier le comportement dynamique d'un cycle adiabatique de stockage d'énergie par air comprimé fonctionnant à pression fixe (IA-CAES). Ce système est caractérisé d'une part par la récupération de la chaleur de compression et d'autre part par le stockage d'air comprimé sous pression fixe dans des réservoirs hydropneumatiques. Ceux-ci permettent d'améliorer l'efficacité et la densité énergétiques du système de stockage et d'éviter l'utilisation de sources d'énergie fossiles.Tout d'abord, un modèle statique est développé pour achever des analyses énergétiques et exergétique du système IA-CAES. Un modèle exergoéconomique est également réalisé dans le but d'optimiser la rentabilité du système de stockage en utilisant un algorithme génétique. Ainsi, une fonction objective, qui prend en compte le coût d'investissement et le coût d'exploitation, est définie pour être minimisée. L'efficacité du système est de 55,1% dans le cas de base, elle est améliorée à 56,6% après optimisation avec une diminution du capital investi de 5,6%.D'autre part, un modèle dynamique est développé pour étudier la flexibilité du système de stockage et sa capacité à répondre aux besoins du réseau électrique (réserves primaires et secondaires) en évaluant la durée des phases transitoires. Les résultats montrent que le système de stockage a besoin d’un temps supérieur à 2 min avant de pouvoir consommer tout l'excès d'énergie disponible sur le réseau électrique et supérieur à 5 min avant d'être capable de produire toute l'énergie requise par le réseau électrique. Des suggestions sont analysées dans l'objectif d'améliorer la flexibilité du système de stockage tel que le fonctionnement du système en mode de veille avec des vitesses réduites. Il permet de réduire les pertes d'énergie de 68% en mode de stockage et de 27% en mode de production par rapport au mode de veille en vitesses nominales. / The contribution of the renewable energy sources in the electricity generation mix is greatly increasing. Thereby, the integration of the energy storage technologies into the electrical grid is becoming crucial to reduce the drawbacks of the renewable energy sources. Then, the objective of this thesis is to evaluate the cost-effectiveness, to optimize and to study the transient behavior of a novel isobaric adiabatic compressed air energy storage (IA-CAES) system. This plant is characterized by the recovery of the compression heat and the storage of the compressed air under fixed pressure in hydro-pneumatic tanks. These allow improving the efficiency and the energy density of the storage system and avoiding the use of fossil fuel sources.Firstly, a steady state model is developed to perform energy and exergy analyses of the IA-CAES system. An exergoeconomic model is also carried out in order to optimize the cost-effectiveness of the storage system by using a genetic algorithm. So, an objective function, which includes the investment cost and the operating cost, is defined to be minimized. The system efficiency is 55.1% in the base case, it is improved to 56.6% after optimization with a decrease in the capital investment by 5.6%.Secondly, a dynamic model is developed to study the flexibility of the storage system and its ability to meet the electrical grid requirements (primary and secondary reserves) by evaluating the duration of the transient states. The results show that the storage system needs more than 2 min before being able to consume all the excess energy available on the electrical grid and more than 5 min before being able to produce all the energy required by the electrical grid. Suggestions are analyzed to improve the flexibility of the storage system such as the operation of the storage system in standby mode with low speeds. It allows reducing the energy losses by 68% during the storage mode and by 27% during the production mode compared to the standby mode in nominal speeds.