SYSTÈME COMPOSITES ET ANALYSE THERMODYNAMIQUE POUR LE STOCKAGE THERMOCHIMIQUE DE L'ÉNERGIE PAR SORPTION

par Hao Wu

Projet de thèse en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Jerzy Zajac et de Fabrice Salles.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier (laboratoire) et de AIME - Agrégats, Interfaces, Matériaux pour l'Energie (equipe de recherche) depuis le 11-12-2015 .


  • Résumé

    La maîtrise du stockage de l'énergie est particulièrement importante pour valoriser les énergies alternatives, comme l'énergie solaire par exemple, sûres et renouvelables, mais par nature intermittentes. Compte tenu du déphasage entre la ressource solaire et son utilisation, il peut être intéressant de valoriser l'excès d'énergie solaire durant l'été en réalisant un stockage longue durée afin de restituer ce surplus d'énergie pendant les périodes de chauffe. Parmi plusieurs types de stockage inter-saisonnier envisagés actuellement, le stockage de la chaleur par voie thermochimique met en œuvre des phénomènes d'adsorption réversibles au cours desquels le couple solide-vapeur est séparé sous l'effet d'une source de chaleur. En principe, ils permettent d'obtenir de fortes densités d'énergie emmagasinée (entre 300 et 500 kWh par m3 de solide réactif) et de s'affranchir des pertes thermiques au cours du temps (stockage sous forme de potentiel chimique). Les systèmes de stockage couramment étudiés présentent différents avantages et inconvénients, et leur fonctionnement peut souvent entraîner de fortes contraintes technologiques pour le réacteur thermochimique. Il paraît opportun d'évoquer, à titre d'exemple, l'utilisation de la vapeur d'eau en tant qu'adsorbat « vert » et peu coûteux dans des systèmes à réacteurs ouverts. Les phénomènes d'adsorption sont réalisés sur des solides divisés et poreux (par exemple, les zéolithes) afin d'intensifier les échanges de chaleur entre les deux phases. Contrairement au mode de fonctionnement « en vapeur pure » qui nécessite la tenue de basse pression sur le long terme dans le réacteur thermochimique, le mode sous flux d'air humide présente l'avantage de fonctionner à pression atmosphérique. Or, d'autres problèmes peuvent survenir à cette occasion, comme la compétition entre diverses vapeurs présentes dans l'air modifiant le bilan thermique au cours du procédé de stockage. L'obtention des adsorbants sélectifs vis-à-vis d'un adsorbat donné constitue un enjeu majeur pour l'optimisation des matériaux de stockage. Dans le cadre de ce projet, la problématique principale se compose de deux volets complémentaires suivants : (1) la conception, l'élaboration et l'optimisation des systèmes composites dédiés au stockage thermochimique par sorption, (2) le développement d'outils d'analyse thermodynamique pour l'évaluation et l'optimisation des cycles de stockage de l'énergie thermique en fonction d'objectifs applicatifs fixés : choix et mise en œuvre des couples réactifs, gestion dynamique de la thermicité de phénomènes interfaciaux au cours du cycle sorption-désorption. Un dispositif expérimental dont le fonctionnement repose sur les principes de la calorimétrie d'écoulement en phase gaz, a déjà été mis au point et il servira à étudier la thermodynamique des phénomènes interfaciaux impliqués en fonction de la température caractéristique de la phase de charge et celle de décharge pour plusieurs compositions de mélanges gazeux (gaz vecteur + gaz réactif). La cinétique des phénomènes de sorption et de désorption, la réversibilité thermodynamique du cycle, ainsi que la stabilité des systèmes de stockage soumis à plusieurs cycles seront les principaux aspects à évaluer. Une modélisation de type Monte Carlo pour comprendre les phénomènes thermiques et élucider l'impact de la compétition de différents gaz/vapeurs à l'intérieur des solides considérés sera également proposée. Le but de cette approche couplée expériences-simulations sera de capturer les processus mis en jeu lors du stockage dans les solides poreux (notamment en présence de cations compensateurs de charges qui jouent le rôle de sites d'adsorption forts) et de quantifier les différentes composantes des chaleurs mesurées, afin de mieux maîtriser les facteurs pouvant impacter les performances et la durée de vie des systèmes de stockage, ainsi que d'améliorer et concevoir des matériaux de stockage de façon rationnelle.

  • Titre traduit

    COMPOSITE SYSTEMS AND THERMODYNAMIC TOOLS FOR LONG-TERM SORPTION ENERGY STORAGE


  • Résumé

    Mastering the energy storage is of high importance for developing renewable energy sources, most notably solar and wind, which produce intermittent power. Taking into account the discontinuity of solar energy production periods and shift between energy supply and its use, long-term energy storage becomes one option to provide reliable energy supplies by capturing excess energy during periods of low demand (e.g., summer, days of sunshine) and restoring it when needed (e.g., winter). Among the most studied technologies for long-term solar energy storage, the relevance of storage systems based on reversible sorption phenomena (separation of a working solid-vapour couple under the heat action) lies in their high energy density (between 300 and 500 kWh per m3 of the solid component), their negligible energy loss (thermal energy is kept as a chemical potential), as well as the repetitiveness of storage operations. The storage systems studied nowadays have certain advantages and disadvantages, and some restrictions in operating thermochemical reactors may render them more difficult to implement. It seems appropriate to mention, as an example, the use of a “green” and cheap adsorbate like water vapour in open systems. The sorption phenomena are carried out making use of divided and porous solids in order to intensify the heat exchange between both phases. Contrary to the “pure vapour” operating mode, in which the reactor should be kept under constant vacuum for long storage periods, the “moist-air flow” mode offers the advantage of operating under atmospheric pressure. Nevertheless, the competition between various vapour components present in air may significantly modify the thermal balance of the storage process. The elaboration of adsorbents selective towards one type of adsorbate is one of the most important challenges in elaboration and optimisation of storage materials. Within the framework of the present project, the research strategy to be applied will include the following stages: (1) design, elaboration, and optimization of composite systems for use in long-term sorption energy storage, (2) development of thermodynamic tools for analysis and optimization of sorption-desorption cycles. Experimental equipment based on the principles of gas flow calorimetry has been already developed and it will be employed to study the thermodynamics of the interfacial phenomena involved as a function of the required charging and discharging temperatures with the use of different gas mixture compositions. The kinetics of sorption and desorption phenomena, reversibility of the thermodynamic cycle, as well as the thermal stability of the storage systems undergoing numerous working cycles will be the principal aspects to investigate. Monte Carlo modelling studies will be made to improve the understanding of the thermal phenomena and shed more light on the competition between various gas components at the solid surface. The objective of such a combined theoretical and experimental approach will be to identify the phenomena involved in the energy storage in porous materials (in particular, in the presence of compensating ions which act as strong active sites) and to quantify the related heat components, so as to control the physical factors governing the performance and durability of the storage systems, as well as to rationalise the materials design and elaboration.