Thermochemical heat storage in composite materials for mobile applications
Stockage thermochimique de la chaleur dans des matériaux composites pour des applications nomades
Résumé
A drastic reduction in the consumption of fossil fuels, the use of clean and renewable energies as well as the recovery of lost energies are major challenges in order to limit the global warming. The large proportion of energy lost of thermal and electric engines and the periodicity of renewable energies encourage to the development of energy storage technologies. In this way, many researches are being carried out on the development of thermal energy storage systems. Particularly, the thermochemical heat storage, based on a reversible water sorption/desorption reaction, usually, has the best energy storage potential. The charging phase (desorption) stores energy, which is released during the discharging phase (sorption). The objective of this work was to study the energy storage performances of new materials via a thermochemical process with the aim of improving storage capacities. For this, materials were analyzed during successive cycles of hydration and dehydration by TG-DSC (SENSYS EVO) coupled to a humidity generator (WETSYS). Numerous characterization techniques (XRD, NMR, ICP-OES, TEM, N2 and H2O isotherms) have been used to understand the influence of physico-chemical characteristics on the interest properties (water and heat storage capacities, kinetics, stability, cyclability) of selected and developed materials. Composite materials, based on a porous matrix impregnated by a hygroscopic salt, allowing the improvement of storage capacities of the two constituents, are promising. The first part of this work was to use different porous matrices (aluminium fumarate, aluminium fumarate/alumina, alumina, silica/PEG) impregnated by CaCl2 ranging from 22 to 61 wt%. We have determined the predominant effect of the deposited salt on the performances of the composites materials. The hydrothermal and storage capacities stability of these composites have been highlighted. However, large amount of CaCl2 deposited can lead to salt deposition on material surface, thus reducing the hydration kinetics and increasing the corrosive nature of the composite. The study of materials that can be used in large-scale systems has also been carried out. Zeolites with different shapes (13X in bead and powder, LiX in bead, 13X/NaY in cylindrical form) were impregnated with smaller quantities of salts (from 5 to 15 wt% of CaCl2, MgSO4 or LiCl). This study highlighted (i) the influence of the shaping of the host matrix (ii) the effect of the presence of binder and (iii) the influence of salt on the properties of the composites. Despite the presence of salt, a reduction (or a very slight increase) in the storage capacities of the composites compared to the zeolites alone was obtained. This was explained by a pore blocking of the composites by salt, decreasing the contribution of the host matrix in the composite storage capacities. Despite the complexity of improving their storage properties, zeolites are a promising solution for thermochemical heat storage systems. Indeed, the availability, the excellent stability of the cycling storage performances and the large water and heat storage capacities make them promising candidates. The lack of salt on the surface, a facilitated diffusion of water vapor and good storage capacities also make composites formed of AF, AF/Al and Al impregnated by respectively 37, 36 and 32 wt% of CaCl2 promising materials.
Une réduction drastique de la consommation d’énergies fossiles, l’utilisation d’énergies propres et renouvelables ainsi que la valorisation des énergies perdues sont des enjeux majeurs afin de limiter le réchauffement climatique. L’importante proportion d’énergie perdue dans les moteurs thermiques et électriques et la périodicité des énergies renouvelables incitent au développement de technologies de stockage de l’énergie. Dans cette optique, de nombreuses recherches sont menées sur le développement de systèmes de stockage thermique de l’énergie. En particulier, le stockage thermochimique de la chaleur, basé sur une réaction réversible de sorption/désorption d’eau le plus souvent, présente le meilleur potentiel de stockage d’énergie. La phase de charge (désorption) permet de stocker l’énergie, qui est relarguée pendant la phase de décharge (sorption). L’objectif de ce travail est l’étude des performances de stockage d’énergie par voie thermochimique de nouveaux matériaux dans un but d’amélioration des capacités de stockage. Pour cela, les matériaux ont été analysés durant des cycles successifs d’hydratation et de déshydratation par TG-DSC (SENSYS EVO) couplé à un générateur d’humidité (WETSYS). De nombreuses techniques de caractérisation (DRX, RMN, ICP-OES, MET, isothermes de N2 et d’H2O) ont été utilisées afin de comprendre l’influence des propriétés physico-chimiques sur les propriétés intéressantes (capacités de stockage en eau et en chaleur, cinétique, stabilité, cyclabilité) des matériaux sélectionnés et développés. Les matériaux composites, formés d’une matrice poreuse imprégnée par un sel hygroscopique permettant d’améliorer les capacités de stockage des deux constituants, s’avèrent prometteurs. Une première partie de ce travail a été d’utiliser différentes matrices poreuses (fumarate d’aluminium, fumarate d’aluminium / alumine, alumine, silice/PEG) imprégnées par des quantités de CaCl2 allant de 22 à 61 %massique. Nous avons déterminé le caractère prédominant du sel déposé sur les performances des matériaux composites. Une augmentation graduelle des capacités de stockage en fonction de la quantité de sel déposé a été obtenue. La stabilité hydrothermale et des capacités de stockage de ces composites a été mise en évidence. Cependant, une quantité de CaCl2 déposée trop importante peut conduire à un dépôt du sel en surface du matériau, réduisant la cinétique d’hydratation et augmentant le caractère corrosif du composite. L’étude de matériaux pouvant être utilisés dans des systèmes à grande échelle a également été réalisée. Des zéolithes avec différentes mises en forme (13X en bille et en poudre, LiX en bille, 13X/NaY sous forme cylindrique) ont été imprégnées par des quantités plus faibles de sels (de 5 à 15 %massique de CaCl2, MgSO4 ou LiCl). Cette étude a permis de mettre en évidence (i) l’influence de la mise en forme de la matrice hôte (ii) l’effet de la présence de liant et (iii) l’influence du sel sur les propriétés des composites. Malgré la présence de sel, une diminution (ou une très faible augmentation) des capacités de stockage des composites par rapport aux zéolithes seules a été obtenue. Ceci a été expliqué par un blocage des pores par le sel, engendrant une diminution de l’apport de la matrice hôte dans les capacités de stockage du composite. Malgré la difficulté d’amélioration des capacités de stockage, les zéolithes s’avèrent être une solution intéressante pour les systèmes de stockage thermochimique de la chaleur. En effet, la disponibilité, l’excellente stabilité des capacités de stockage au cyclage et de grandes capacités de stockage en eau et en chaleur en font des candidats prometteurs. L’absence de sel en surface, une diffusion facilitée de la vapeur d’eau et de bonnes capacités de stockage font également des composites formés de AF, AF/Al et Al imprégnés par respectivement 37,36 et 32 %massique de CaCl2 des candidats intéressants.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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