Caractérisation thermique de matériaux composites dédiés au stockage de chaleur par réaction chimique pour des applications dans le domaine du bâtiment

Thermal characterization of composites materials for thermochemical heat storage for building applications

• Auteur / Autrice : Julie Dussouillez
• Direction : Kévyn Johannes, Frédéric Kuznik
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique et Energétique
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Nolwenn Le Pierrès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kévyn Johannes, Frédéric Kuznik, Stéphane Ginestet, Murielle Rivenet, Stéphanie Giroux-Julien
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Ginestet, Murielle Rivenet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement thermochimique

Énergies renouvelables

Constructions -- Économies d'énergie

Chaleur -- Stockage

Mots clés libres

Stockage de chaleur

Hydrates de sel

Chlorure de lanthane

Hydratation

Déshydratation

Caractérisation thermique

Thermochimie

Heat storage systems

Hygroscopic salt

Lanthanum chloride

Hydration

Dehydration

Thermal characterization

Thermochemical storage

Résumé

Le stockage thermochimique repose sur le principe d’une réaction renversable : endothermique dans un sens et exothermique dans l’autre. Ce type de stockage de chaleur basé sur des cycles d’hydratation et de déshydratation de cristaux de sels réactifs, s’inscrit dans un contexte de réduction de la consommation d’énergie des bâtiments et de valorisation des énergies renouvelables. Néanmoins, les études menées dans ce domaine montrent que les transferts de masse restent faibles et loin des valeurs théoriques envisageables. La cause est liée à la formation d'hydrates sur les couches superficielles des cristaux qui limitent voire empêchent toute hydratation, et donc tout transfert de chaleur. Afin de remédier à ce problème d’agglomération, l’utilisation de matrices poreuses a été envisagée. Elles devraient permettre le bon déroulement de la réaction d’hydratation (exothermique) en séparant physiquement chaque cristal de sel réactif. Dans la littérature, trois sels ont été identifiés comme prometteurs pour le stockage de chaleur dans un contexte bâtiment : le bromure de strontium (SrBr 2 ), le sulfate de magnésium (MgSO 4 ) et la chlorure de lanthane (LaCl 3 ). La littérature concernant ce dernier est limitée et les résultats ne convergent pas. Dans ce contexte, des études de caractérisations thermiques par analyse thermogravimétrique (ATG-DSC) ont été réalisées en déshydratation sur des échantillons de LaCl 3 . Une méthode de détermination de la température de déclenchement des réactions chimiques a été mise au point et utilisée afin de tracer le diagramme d’équilibre de ce sel. Des matériaux composites ont ensuite été fabriqués par imprégnation de sels dans une matrice poreuse en céramique fabriquée par impression 3D au laboratoire partenaire : MATEIS. Enfin, un banc expérimental a été conçu et mis en place au laboratoire afin de tester les performances du LaCl3 à plus grande échelle et de les comparer aux autres sels prometteurs. Ce réacteur thermochimique, reproduit à l'échelle du laboratoire a permis d’étudier les transferts de masse et chaleur au sein des sels réactifs. Le LaCl 3 a été testé pour différentes mises en œuvre : en lit de sel et sous forme de matériau composite de céramique. Des essais ont également effectués sur des mousses commerciales d’alumine et de polyuréthane. La cyclabilité et les performances thermiques de ces matériaux composites ont été évaluées et comparées

Thermochemical heat storage is rested on a principle of a reversible chemical reaction : endothermic in one way or exothermic in the other. This type of heat storage based on consecutive hydration and dehydration cycles of hygroscopic salt crystals falls within an approach of reduction of energy consumption of new and existing buildings. Thanks to its high theoretical performance, thermochemical heat storage is tending towards getting ahead of other energy storage systems as sensible or latent storage, especially for long term thermal storage. Nevertheless, the studies carried out in this field show that mass transfers remain low and far from conceivable theoretical values. The cause is linked to the formation of hydrates on the superficial layers of crystals which limit or even prevent any hydration, and therefore any heat transfer. In order to counteract the negative effect of this phenomenon, composites materials composed of a porous matrix with impregnated salts are studied. They should allow avoiding parasitic reactions during the hydration process (exothermic) by physically separating each crystal of reactive salt. In the literature, three salts have been identified as promising for heat storage in a building applications : strontium bromide (SrBr 2 ), magnesium sulfate (MgSO 4 ) and lanthanum chloride (LaCl 3 ). The literature on the latter is limited and results are not converge. In this context, thermal characterization studies by thermogravimetric analysis (ATG-DSC) were carried out in dehydration process on LaCl 3 samples. A method for determining the onset temperature of chemical reactions was developed and used in order to find the equilibrium diagram of this salt. Composite materials were then manufactured by impregnation of salts in a porous ceramic matrix manufactured by 3D printing at the partner laboratory : MATEIS. Finally, an experimental bench test was designed and set up in the laboratory in order to test the performances of LaCl 3 on a larger scale and to compare this salt with the other promising.This thermochemical reactor, reproduced on a laboratory scale, allowed to study mass and heat transfers within reactive salts. The LaCl 3 has been tested for different configurations : in a salt bed and as ceramic composite material. Tests were also carried out on commercial foams of alumina and polyurethane. The cyclability and thermal performance of these composite materials have been evaluated and compared