Stockage d'énergie thermique par un composite zéolite/MgSO4-H2O : étude thermocinétique du système MgSO4 – H2O et étude expérimentale des composites

Thermal energy storage by a zeolite/MgSO4 composite : thermokinetic study of the MgSO4 – H2O system and experimental study of composites

• Auteur / Autrice : Larysa Mikolaivna Okhrimenko
• Direction : Loïc Favergeon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de Materiaux
• Date : Soutenance le 08/01/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Procédés de Transformations des Solides et Instrumentation
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Denoyel, Nathalie Mazet, Simona Bennici, Sylvie Lorente, Frédéric Kuznik
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Renaud Denoyel, Nathalie Mazet
• DOI : 10.70675/98915f01za2cdz4a43z8701z63465a35215a

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie -- Stockage

Sulfate de magnésium

Composites

Zéolites

Mots clés libres

Sulfate de magnésium

Thermodynamique

Cinétique

Zéolite

Matériau composite

Thermogravimétrie

Magnesium sulphate

Thermodynamic

Kinetic

Zeolite

Composite material

Thermogravimetric analysis

Résumé

L’épuisement des combustibles fossiles et l’augmentation de la demande d’énergie, entrainent l’intérêt croissant du développement des énergies renouvelables et des systèmes efficaces énergétiquement. Néanmoins, le décalage entre le besoin en énergie et la fourniture de celle-ci par les énergies renouvelables rend nécessaire l’utilisation d’un système de stockage. Parmi les différentes technologies de stockage d’énergie thermique, les composites formés d’une matrice poreuse et d’un sel hygroscopique, permettent de profiter à la fois des capacités d’adsorption/désorption de la matrice et des réactions chimiques du sel. La difficulté principale du développement d’un tel système est la compréhension incomplète des phénomènes physico-chimiques mis en jeu.Le premier objectif de cette thèse est d’étudier les réactions d’hydratation et de déshydratation du sel MgSO4. La caractérisation physico-chimique des solides ainsi que des expériences de thermogravimétrie isotherme et isobare ont été réalisées. Il a été montré que le système est divariant et que les hydrates obtenus sont non-stœchiométriques. Un modèle thermodynamique a été développé et appliqué aux données expérimentales. Les études cinétiques des réactions de déshydratation et d’hydratation ont été réalisées ce qui a permis de définir les étapes limitantes ainsi que d’écrire deux modèles et d’appliquer aux résultats expérimentaux. Enfin différents matériaux composites zéolite/ MgSO4 ont été synthétisés. Ces matériaux ont été caractérisés et leur capacité de sorption a été mesurée. Les résultats mettent en évidence une augmentation de la capacité de sorption, mais uniquement pour des pressions de vapeur d’eau importantes.

Exhaustion of fossil fuels and increase of energy demand, lead to growing interest in the development of renewable energies and energy efficient systems. Nevertheless, the gap between the supply and the demand of energy by renewable energies makes necessary the using a storage system. Among various thermals energy storage technologies, the composites formed by a porous matrix and a hygroscopic salt, allow to benefit advantage of both the adsorption/desorption capacities of the matrix and the chemical reactions of salt. The main difficulty to develop of such a system is the incomplete understanding of the involved physicochemical phenomena.The first objective of this thesis is to study the hydration and dehydration reactions of MgSO4 salt in presence of water vapor. Firstly, the physicochemical characterization of solids and isothermal and isobaric thermogravimetry experiments were carried out. It has been shown that the system is divariant and that the hydrates obtained are non-stoichiometric with localized water molecules. A thermodynamic model was developed and applied to the experimental data. In a second step, the kinetic studies of both the dehydration and hydration reactions were carried out. The rate limiting steps were defined, two kinetic models have been written and applied to the experimental results. Finally, various zeolite/MgSO4 composite materials have been synthesized. These materials have been characterized and their sorption capacity has been measured. The results show an increased sorption capacity, but only for water vapor pressures different from those used for thermal energy storage.