systemes composites et analyse thermodynamique - ICGM

SYSTEMES COMPOSITES ET ANALYSE THERMODYNAMIQUE
POUR LE STOCKAGE THERMOCHIMIQUE DE L’ENERGIE
PAR SORPTION
Durée : 3 ans (à partir du 1er Octobre 2015)
Contacts : Dr. Fabrice Salles (ICGM UMR 5253, équipe AIME, Courriel : fabrice.salles@ um2.fr) ; Pr. Jerzy Zajac (ICGM UMR 5253, équipe AIME, Courriel : [email protected])
La maîtrise du stockage de l'énergie est particulièrement importante pour valoriser les
énergies alternatives, comme l’énergie solaire par exemple, sûres et renouvelables, mais par
nature intermittentes. Compte tenu du déphasage entre la ressource solaire et son utilisation, il
peut être intéressant de valoriser l’excès d’énergie solaire durant l’été en réalisant un stockage
longue durée afin de restituer ce surplus d’énergie pendant les périodes de chauffe. Parmi
plusieurs types de stockage inter-saisonnier envisagés actuellement, le stockage de la chaleur
par voie thermochimique met en œuvre des phénomènes d’adsorption réversibles au cours
desquels le couple solide-vapeur est séparé sous l'effet d'une source de chaleur. En principe,
ils permettent d’obtenir de fortes densités d’énergie emmagasinée (entre 300 et 500 kWh par
m3 de solide réactif) et de s’affranchir des pertes thermiques au cours du temps (stockage sous
forme de potentiel chimique).
Les systèmes de stockage couramment étudiés présentent différents avantages et
inconvénients, et leur fonctionnement peut souvent entraîner de fortes contraintes
technologiques pour le réacteur thermochimique. Il paraît opportun d’évoquer, à titre
d'exemple, l’utilisation de la vapeur d’eau en tant qu’adsorbat « vert » et peu coûteux dans
des systèmes à réacteurs ouverts. Les phénomènes d’adsorption sont réalisés sur des solides
divisés et poreux (par exemple, les zéolithes) afin d’intensifier les échanges de chaleur entre
les deux phases. Contrairement au mode de fonctionnement « en vapeur pure » qui nécessite
la tenue de basse pression sur le long terme dans le réacteur thermochimique, le mode sous
flux d’air humide présente l’avantage de fonctionner à pression atmosphérique. Or, d’autres
problèmes peuvent survenir à cette occasion, comme la compétition entre diverses vapeurs
présentes dans l’air modifiant le bilan thermique au cours du procédé de stockage.
L’obtention des adsorbants sélectifs vis-à-vis d’un adsorbat donné constitue un enjeu majeur
pour l’optimisation des matériaux de stockage.
Dans le cadre de ce projet, la problématique principale se compose de deux volets
complémentaires suivants : (1) la conception, l’élaboration et l’optimisation des systèmes
composites dédiés au stockage thermochimique par sorption, (2) le développement d'outils
d'analyse thermodynamique pour l'évaluation et l'optimisation des cycles de stockage de
l'énergie thermique en fonction d'objectifs applicatifs fixés : choix et mise en œuvre des
couples réactifs, gestion dynamique de la thermicité de phénomènes interfaciaux au cours du
cycle sorption-désorption.
Un dispositif expérimental dont le fonctionnement repose sur les principes de la
calorimétrie d’écoulement en phase gaz, a déjà été mis au point et il servira à étudier la
thermodynamique des phénomènes interfaciaux impliqués en fonction de la température
caractéristique de la phase de charge et celle de décharge pour plusieurs compositions de
mélanges gazeux (gaz vecteur + gaz réactif). La cinétique des phénomènes de sorption et de
désorption, la réversibilité thermodynamique du cycle, ainsi que la stabilité des systèmes de
stockage soumis à plusieurs cycles seront les principaux aspects à évaluer. Une modélisation
de type Monte Carlo pour comprendre les phénomènes thermiques et élucider l'impact de la
compétition de différents gaz/vapeurs à l'intérieur des solides considérés sera également
proposée. Le but de cette approche couplée expériences-simulations sera de capturer les
processus mis en jeu lors du stockage dans les solides poreux (notamment en présence de
cations compensateurs de charges qui jouent le rôle de sites d'adsorption forts) et de quantifier
les différentes composantes des chaleurs mesurées, afin de mieux maîtriser les facteurs
pouvant impacter les performances et la durée de vie des systèmes de stockage, ainsi que
d'améliorer et concevoir des matériaux de stockage de façon rationnelle.
Profile des candidat(e)s :
1) Formation en Chimie des Matériaux
2) Connaissance des techniques de caractérisation (structure, texture, spectroscopies,
microscopies, …)
3) Connaissance des phénomènes interfaciaux et des propriétés surfaciques des matériaux
4) Notion de base utiles en modélisation (calculs de charges, développement de codes,...)
Programme de recherche :
1) Recherche bibliographique pour cerner le sujet de recherche et rédiger l'état de l'art
2) Elaboration et caractérisation des systèmes composites pour le stockage thermochimique
3) Etude thermodynamique des phénomènes interfaciaux impliqués (cinétique des
phénomènes de sorption et de désorption, réversibilité thermodynamique du cycle, stabilité
des systèmes de stockage)
4) Modélisation et compréhension des phénomènes thermiques afin d’optimiser les systèmes
composites et le procédé de stockage