Metal foam-salt hydrate composites for thermochemical energy storage
Composites mousses métalliques-hydrates de sel pour le stockage thermochimique d'énergie
Résumé
Thermochemical heat storage (THS) systems based on the hydration/dehydration reaction between water vapor and hygroscopic salts are considered to be a simple, low-cost and environmentally friendly system. However, hygroscopic salts have drawbacks such as swelling and agglomeration of the crystalline salt particles during hydration/dehydration cycles, which progressively leads to decreasing specific reaction surface, and kinetics of heat and mass transfer, thus resulting in efficiency degradation due to poor cyclic performance and stability.To alleviate the limitations mentioned above, we propose a composite based on open-cell metal foam as host matrix, containing calcium chloride as hygroscopic salt dispersed in the pores. With an adapted microstructure avoiding agglomeration during swelling and shrinking of the salt crystallites related to hydration and dehydration respectively, this composite facilitates the transfers of water vapor and heat and prevents loss of specific reaction surface, thus improving the performance of the THS system.This thesis work focuses first on the mechanical properties of metal foam. The multiscale deformation behavior of different metal foams was studied by compression tests realized in situ with observation by optical microscopy with high-resolution camera (pixel size of 2.75 μm) and scanning electron microscopy (SEM). Laboratory X-ray microtomography technique was also applied. Images were analyzed by 2D and 3D Digital Image Correlation (DIC) for the computation of displacement fields and strain fields. The results show that concerning the mechanical integrity the microstructure of the metal foam is by far more important than the metal itself. Strain localization is limited in metal foams with a comparatively homogeneous microstructure, precluding complete pore collapse, thus preserving the mass transfer properties. In opposition, highly heterogeneous metal foam microstructure leads to the formation of strong localization bands, which might impede the water vapor transfer, thus affecting the performance of the designed composite.The thermochemical properties of the metal foam-salt composites are studied by differential scanning calorimetry (DSC), with respect to the synthesis method and the type of metal foam. In particular, the thermochemical properties of the composites during hydration/dehydration cycles are compared with those of salt hydrate powders of calcium chloride. The evolution of the thermochemical properties is further analyzed, based on in situ observation of the microstructural and morphological evolution during hydration/dehydration cycling in an environmental scanning electron microscope (ESEM). It is demonstrated that the metal foam-salt composites show significant improvement in terms of cyclic stability and quantity of thermal energy released/stored, compared to bulk calcium chloride powder. In situ ESEM observations show that swelling and deliquescence induce moderate redistribution of salt hydrates within the metal foam. However, the open porosity of the composite is essentially preserved. The metal foam efficiently prevents extensive salt agglomeration and loss of specific reaction area, which explains the substantial improvement of the composite’s thermochemical properties and their cyclic stability.In conclusion, the metal foam-salt hydrate composite developed in our work is suitable and promising for thermochemical storage, offering both mechanical and thermochemical advantages. On the one hand, the metallic foam ensures structural integrity allowing for flexible industrial handling of thermochemical storage units. On the other hand, the metal foam ensures the microstructural stability of the reactive material, hence preserving an economically durable life span. At last, the designed composites have a low environmental footprint. The reactive salt hydrates are environmentally friendly. Both the salt hydrate and the metallic foam allow for total recycling.
Les systèmes de stockage thermochimique basés sur la réaction d'hydratation/déshydratation entre la vapeur d'eau et les sels hygroscopiques sont considérés comme des systèmes simples, peu coûteux et respectueux de l'environnement. Toutefois, les sels hygroscopiques présentent des inconvénients tels que le gonflement et l'agglomération des particules de sel au cours des cycles, ce qui entraîne progressivement une diminution de la surface de réaction spécifique et de la cinétique du transfert de chaleur et de masse, d'où une performance cyclique et une stabilité médiocres.Pour pallier les limitations mentionnées ci-dessus, nous proposons un composite basé sur une mousse métallique à cellules ouvertes comme matrice hôte, contenant du chlorure de calcium comme sel hygroscopique dispersé dans les pores. Avec une microstructure adaptée évitant l'agglomération des cristallites de sel pendant l'hydratation/déshydratation, ce composite facilite les transferts de vapeur d'eau et de chaleur et empêche la perte de surface de réaction spécifique, améliorant ainsi les performances du système de stockage d’énergie.Ce travail se concentre d'abord sur les propriétés mécaniques des mousses métalliques. Le comportement de déformation multi-échelle de différents mousses métalliques a été étudié par des essais de compression réalisés in situ avec observation par microscopie optique avec caméra à haute résolution et microscopie électronique à balayage (MEB). La technique de microtomographie à rayons X a aussi été appliquée. Les images ont été analysées par corrélation d'images numériques 2D et 3D (CIN) pour le calcul des champs de déplacement et de déformation. Les résultats montrent que pour l'intégrité mécanique, la microstructure de la mousse métallique est plus importante que le métal lui-même. La localisation des déformations est limitée dans les mousses métalliques avec microstructure plus homogène, ce qui empêche l'effondrement complet des pores et préserve ainsi les propriétés de transfert. En revanche, une microstructure de mousse métallique hétérogène entraîne la formation de bandes de localisation importantes, qui peuvent entraver le transfert de vapeur d'eau, ce qui affecte les performances du composite.Les propriétés thermochimiques des composites mousse métallique-sel sont étudiées par calorimétrie différentielle à balayage (DSC). En particulier, les propriétés thermochimiques des composites pendant les cycles d'hydratation/déshydratation sont comparées à celles de poudres de sel. L'évolution des propriétés thermochimiques est analysée par l'observation in situ de l'évolution microstructurale au cours des cycles d'hydratation/déshydratation dans un microscope électronique à balayage environnemental (MEBE). Il est montré que les composites présentent une amélioration significative en termes de stabilité cyclique et de quantité d'énergie libérée/stockée, par rapport à la poudre de sel en vrac. Les observations in situ MEBE montrent que le gonflement et la déliquescence induisent une redistribution modérée des hydrates de sel dans la mousse métallique. Cependant, la porosité ouverte du composite est préservée. La mousse métallique empêche efficacement l'agglomération des sels et la perte de surface de réaction spécifique, ce qui explique l'amélioration substantielle des propriétés thermochimiques du composite et de sa stabilité cyclique.En conclusion, le composite mousse métallique-hydrate de sel développé dans notre travail est adapté pour le stockage de l'énergie thermochimique, offrant à la fois des avantages mécaniques et thermochimiques. D'une part, la mousse métallique assure l'intégrité structurelle permettant une manipulation industrielle flexible des unités de stockage thermochimique. D'autre part, la mousse métallique assure la stabilité microstructurale du matériau réactif, préservant une durée de vie économiquement durable. Enfin, les composites ont une faible empreinte environnementale et permettent un recyclage total.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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