Thermal energy storage (TES) systems have been extensively employed as an elegant approach to partially fulfill the enormous energy demand in industrial applications, such as mining, geothermal, oil and gas, and construction industries by deploying the available renewable energies or using alternative energy solutions. TES allows for energy to be stored in the form of heat during times of low/no demand and used later when demand rises. Energy storage efficiency depends on many design and operational factors, which are not easy to empirically quantify. Among these factors, the permeability of porous media is not well-understood and plays a fundamental role on storage efficiency. Computational modelling is a feasible approach to predict the primary parameters to design and evaluate and optimize the performance of TES systems. Hence, this study begins with a comprehensive review of fluid flow and heat transfer mechanisms in porous media. Then, numerical investigation was performed to estimate the pressure drop through the packed bed of large spherical particles with two sets of models:​ pore-scale and volume-averaged. The numerical models were developed, analyzed, and validated with experimental data. Further, a new Ergun/Forchheimer correlation was proposed and employed to study the impact of various design and operating parameters, such as porosity, particle size, mass flowrate, aspect ratio, properties of storage material, and inlet air temperature on the overall performance of large-scale TES systems. Two energy sources were used based on their availability in the field:​ seasonal ambient air and exhaust streams from a diesel generator. The fluid flow behavior inside a packed rock bed thermal energy storage system was investigated by developing a transient, 3D computational fluid dynamics and a heat transfer model that accounts for interphase energy balance for energy conservation, using a local thermal non-equilibrium approach. The heat transfer phenomenon in the rock-pile was empirically validated. The model also provides useful information for evaluating the performance of packed beds of large rocks and in caved zones. The proposed TES system has great potential to be a green solution to meet heating/cooling and ventilation demands of deep underground mines, as well as the heating demand of the remote communities in the cold climates by reducing the burning of fossil fuels and carbon emissions.

Les systèmes de stockage d'énergie thermique (TES) ont été largement utilisés en tant qu'approche élégante pour répondre en partie à l'énorme demande en énergie des applications industrielles telles que les industries minière, géothermique, pétrolière et gazière et de la construction en déployant les énergies renouvelables disponibles ou en utilisant des solutions énergétiques alternatives. Le TES permet de stocker l’énergie sous forme de chaleur en période de faible demande ou sans demande, puis de l’utiliser ultérieurement lorsque la demande augmente. L’efficacité du stockage de l’énergie dépend de nombreux facteurs de conception et d’exploitation, qu’il est difficile de quantifier empiriquement. Parmi ces facteurs, la perméabilité des milieux poreux n’est pas bien comprise et joue un rôle fondamental dans l’efficacité du stockage. La modélisation informatique est une approche réalisable pour prédire les principaux paramètres permettant de concevoir, d'évaluer et d'optimiser les performances des systèmes TES. Par conséquent, cette étude commence par un examen complet des mécanismes d'écoulement des fluides et de transfert de chaleur dans les milieux poreux. Ensuite, une étude numérique a été réalisée pour estimer la chute de pression dans le lit de garnissage de grosses particules sphériques avec deux ensembles de modèles:​ l’échelle des pores et la moyenne volumique. Les modèles numériques ont été développés, analysés et validés avec des données expérimentales. En outre, une nouvelle corrélation Ergun / Forchheimer a été proposée et utilisée pour étudier l’incidence de divers paramètres de conception et de fonctionnement, tels que la porosité, la taille des particules, le débit massique, le rapport de longueur, les propriétés du matériau de stockage et la température de l’air aspiré sur la performance globale de systèmes TES à grande échelle. Deux sources d'énergie ont été utilisées en fonction de leur disponibilité sur le terrain:​ l'air ambiant saisonnier et le flux d'échappement d'un générateur diesel. Le comportement de l'écoulement des fluides dans un système de stockage d'énergie thermique à lit de roche tassée a été étudié en utilisant une approche de non équilibre thermique local et en développant une dynamique des fluides 3D transitoire avec un modèle de transfert de chaleur prenant en compte le bilan énergétique interphasique pour la conservation de l'énergie. Le phénomène de transfert de chaleur dans le tas de roches a été validé empiriquement. Le modèle fournit également des informations utiles pour évaluer la performance des lits compactés de grosses roches et dans des zones creusées. Le système TES proposé pourrait constituer une solution verte pour répondre aux besoins de chauffage / refroidissement et de ventilation des mines souterraines profondes, ainsi qu’au besoin de chauffage des communautés isolées des régions froides en réduisant la combustion de combustibles fossiles et les émissions de carbone.