Stockage par matériaux à changement de phase de l’énergie thermique rejetée par l’industrie à basse température

par Sacha Rigal

Thèse de doctorat en Énergétique

Sous la direction de Jean-Pierre Bedecarrats et de Didier Haillot.

Le jury était composé de Didier Haillot.


  • Résumé

    Une grande quantité d’énergie est rejetée par l’industrie à bas niveau de température, en dessous de 200 °C. Afin d’améliorer le rendement énergétique global des procédés utilisés, il est envisageable de valoriser cette chaleur perdue appelée chaleur fatale. Cependant cette valorisation est souvent rendue difficile par la présence d’un décalage temporel entre le moment où l’énergie est rejetée et le moment auquel cette énergie pourrait être de nouveau utilisée. Associant de fortes capacités de stockage ainsi qu’une possible restitution d’énergie à température constante, la solution du stockage de l’énergie thermique par des Matériaux à Changement de Phase, appelés MCP, apparaît comme particulièrement attractive. Cependant, la mise en œuvre de ces systèmes de stockage se heurte à des verrous scientifiques et technologiques tant au niveau du matériau de stockage que du système mais également de son contrôle commande et de son insertion dans les procédés industriels.L’objectif de la thèse est de mettre au point un système de stockage par MCP solide-liquide dans deux gammes de température : 70-85 °C et 120-155 °C. La première correspond aux températures des réseaux de chaleurs ou des chauffages domestiques alors que la deuxième s’applique au préchauffage des procédés industriels déjà existants. La thèse vise à démontrer la faisabilité technique du système de stockage. Le travail s’articule autour de différentes tâches allant de la sélection et la caractérisation des MCP jusqu’à leur mise en œuvre dans un organe de stockage et la simulation numérique de la solution de stockage.Les MCP recensés dans la bibliographie à ces niveaux de températures ont été caractérisés finement par calorimétrie (DSC) afin de déterminer leurs propriétés thermo-physiques sur des échantillons de grade laboratoire. L’acide stéarique pour la gamme 70-85 °C et l’acide sébacique pour la gamme 120-155 °C ont été sélectionnés. Des analyses calorimétriques plus poussées sur le grade industriel de ces matériaux ont été réalisées avec notamment des analyses de vieillissement et de compatibilité avec leur encapsulation respective au sein d’un banc expérimental. Le prototype expérimental de stockage thermique a été dimensionné et conçu pour répondre aux sollicitations simulant les rejets et les demandes d’un procédé industriel. Ce banc d’essais est composé principalement de deux organes de stockage que sont une cuve cylindrique et un échangeur multitubulaire et d’un thermorégulateur servant à simuler le fonctionnement du procédé industriel. Dans l’échangeur multitubulaire, le MCP occupe toute le volume de la calandre tandis que le fluide caloporteur circule dans les tubes. La cuve, quant à elle, contient des capsules sphériques en polyoléfines dans lesquelles le MCP est confiné. Elle est traversée par le fluide caloporteur procédant aux échanges thermiques. Ces capsules sphériques appelées nodules ne peuvent supporter plus de 100 °C et sont exclusivement réservées pour la gamme basse température. Ainsi, l’acide stéarique a été confiné dans les nodules afin de remplir la cuve de stockage. L’acide sébacique a lui été intégré dans la calandre de l’échangeur multitubulaire. Les campagnes expérimentales réalisées ont montré la faisabilité de ces types de stockage. Enfin, un modèle numérique simulant les performances du module de stockage utilisant les MCP encapsulés a été réalisé. Il constitue la première étape d’un outil de simulation complet intégrant les briques technologiques du stockage latent.

  • Titre traduit

    Storage by phase change materials of the thermal energy released by the industry at low temperature


  • Résumé

    A large amount of energy is rejected by the industry at low temperature level, below a temperature of 200 °C. In order to improve the overall energy efficiency of industrial processes, it is possible to re-use this waste heat. However, this energy recovery is often made difficult because of the time difference between the process step at which the energy is lost and the process step at which this energy could be reused. Combining high energy storage capabilities and a possible energy recovery at constant temperature, thermal storage solution by phase change materials (PCM) is particularly attractive. However, this storage systems implementation faces scientific and technologic obstacles concerning both the storage material and system but also its command system and its integration into industrial processes.This thesis aims to develop a thermal energy storage system using a solid-liquid PCM technology in two temperature ranges: 70-85 °C and 120-155 °C. The first one corresponds to temperatures of heating networks or domestic heating systems, while the second one could directly preheat existing industrial processes. The thesis aims to demonstrate the technical feasibility of the storage system. The purpose is divided into different tasks such as PCMs selection and characterization, PCM implementation in a storage system but also numerical simulation of the storage solution.PCM documented in the literature at those temperature ranges were characterized by Differential Scanning Calorimetry (DSC) in order to determine thermo physical properties on laboratory grade samples. Stearic acid for the 70-85 °C temperature range and sebacic acid for the 120-155 °C temperature range were selected. Deeper differential scanning calorimetry analyses were carried out on those industrial grade materials including material ageing process analyses and their compliance with their respective encapsulation within an experimental test bench.Thermal storage experimental prototype was designed in order to meet the demands simulating the rejects and needs of industrial processes. The test bench is mainly composed of two storage systems : a cylindrical tank, a multitubular exchanger and a thermoregulator used to simulate industrial process functioning. The PCM, while in the multitubular exchanger, fills up the whole volume of the shell whereas the heat transfer fluid flows in tubes. The tank, for its part, contains polyolefin spherical capsules in which the PCM is contained. The tank is crossed by the heat transfer fluid conducting heat exchanges. Those spherical capsules called nodules cannot be exposed to temperatures exceeding 100 °C and are exclusively reserved for the low temperatures range. Thus, stearic acid was confined in nodules so as to fill the storage tank. The sebacic acid was incorporated in the multitubular exchanger shell. Experimental campaigns carried out have demonstrated the feasibility of those storage types.


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