Etude numérique et expérimentale du stockage d'énergie par les matériaux cimentaires

Numerical and experimental study of energy storage by cementitious materials

• Auteur / Autrice : Khadim Ndiaye
• Direction : Martin Cyr, Stéphane Ginestet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie civil
• Date : Soutenance le 10/02/2016
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Ginestet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur -- Stockage

Ettringite

Mots clés libres

Mécanique

Énergétique

Génie civil

Procédés (MEGeP)

Thermochemical storage

Hydration-dehydration

Ettringite

Ettringite binders

Characterization

Modelling

Simulation

Prototype

Résumé

L'objectif de cette thèse est de développer un matériau cimentaire monolithe ayant une forte teneur en ettringite, capable de stocker et de déstocker de la chaleur, respectivement, par déshydratation endothermique et réhydratation exothermique. Une étude numérique et expérimentale du stockage de chaleur dans un réacteur thermochimique (prototype) contenant le matériau développé est aussi réalisée dans le cadre de cette étude. Pour atteindre ces objectifs, l'hydratation de différents liants ettringitiques a été suivie par DRX, ATG et MEB. Une simulation thermodynamique de l'hydratation a aussi été effectuée au moyen du logiciel GEMS (Gibbs Energy Minimization Sofware) afin d'optimiser la formulation du matériau. Le réseau poreux du matériau résultant a ensuite été amélioré par moussage chimique. Nous avons aussi étudié la durabilité et la stabilité du matériau ettringitique synthétisé (carbonatation, stabilité à la température, réversibilité du processus de stockage/déstockage sur plusieurs cycles). Pour prédire le comportement du système de stockage, un modèle bidimensionnel, prenant en compte les spécificités du matériau cimentaire, a été utilisé. Le bilan énergétique et massique dans le matériau poreux génère un système d'équations différentielles non-linéaires et couplées. La résolution numérique du système, effectuée en utilisant MatLab (r), est effectuée par discrétisation spatiale en utilisant la méthode des différences finies, et par intégration temporelle des variables d'état (température et pression de vapeur d'eau). La simulation du modèle, basée sur les propriétés mesurées du matériau en laboratoire, est ensuite utilisée comme outil de conception pour réaliser un premier prototype de réacteur thermochimique au laboratoire. Suite à ces essais, un prototype amélioré est ensuite élaboré et testé. Le résultat des essais de stockage et de déstockage de chaleur avec ces deux prototypes ont servi de validation du modèle numérique d'une part, et de preuve de concept du principe de stockage d'autre part.

The objective of this study is to develop an ettringite-based material with high energy storage density in low temperature conditions, allowing to charge and discharge heat by endothermic dehydration and exothermic rehydration, respectively; then to perform the numerical and experimental study of heat storage in a thermochemical reactor containing the produced material (prototype). To achieve these goals, the hydration of ettringite binders was followed by XRD, TGA and SEM. The thermodynamic simulation of the hydration was also performed using GEMS (Gibbs Energy Minimization Sofware). The porous network of the resulting material was improved by chemical foaming. Furthermore, the carbonation, thermal stability and reversibility tests were performed on the produced material. Physicochemical stability of the material over time was followed by XRD, TGA, SEM and IR. To predict the behavior of the storage system, a bidimensional model, taking account the specificities of the cementitious material, was developed. The heat and mass balance in the thermochemical reactor generates a system of non-linear and coupled differential equations. The numerical resolution was first made by spatial discretization using the finite difference method, then by temporal integration of variables (temperature and water vapor pressure) on MatLab (r). The model simulation, with material properties, was used as concept design to build the thermochemical reactor prototype in the laboratory (cylindrical adsorber). The result of heat storage tests with the prototype was used as proof of concept of the principle on the one hand, and a way to validate the numerical model.