MATERIAUX A CHANGEMENT DE PHASE POUR LE STOCKAGE D ENERGIE

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Viviane Ménard
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1 MATERIAUX A CHANGEMENT DE PHASE POUR LE STOCKAGE D ENERGIE Jean-Pierre BEDECARRATS, Erwin FRANQUET, Stéphane GIBOUT, Didier HAILLOT LaTEP - ENSGTI, University of Pau, France Journées Nationales sur l'énergie Solaire Conférence internationale DERBI 28 au 30 juin 2016 Perpignan

2 Contexte Contraintes environnementales Disponibilités des ressources énergétiques Développement des technologies mais aussi leur utilisation plus rationnelle Stockage de l énergie thermique Amélioration de l efficacité énergétique Meilleure maitrise de la demande Energétique Réduction des émissions de CO 2 Dissocier dans le temps et dans l espace la production de l utilisation de l énergie. Rationalisation de l utilisation de l énergie Respect des réglementations Stockage d énergie thermique par changement de phase solide liquide Utilisation des Matériaux à Changement de Phases (MCP) 1

3 Plan Stockage d énergie latente Verrous technologiques Verrous scientifiques Méthode de sélection des Matériaux à Changement de Phase (MCP) Avantages Problèmes Caractérisation thermophysique 2

Stockage d énergie latente Chaleur latente ( ) H H M c T T M L T M c T T 2 1 S F 1 F F L 2 F Structure - Corrosion -

fusion - Chaleur latente - Surfusion - Stabilité Stockage d énergie - Conductivité thermique Echangeur /

des performances) Restitution de la puissance Verrous scientifiques Identification du MCP Caractérisation

4 Stockage d énergie latente Chaleur latente ( ) H H M c T T M L T M c T T 2 1 S F 1 F F L 2 F Structure - Corrosion - Densité - Variation de volume Echelle industrielle - Prix - Disponibilité - Retour d expérience - Température de fusion - Chaleur latente - Surfusion - Stabilité Stockage d énergie - Conductivité thermique Echangeur / intensification Verrous technologiques MCP à un coût adapté à l application Vieillissement du matériau (dégradation des performances) Restitution de la puissance Verrous scientifiques Identification du MCP Caractérisation thermophysique des MCP : nécessité de connaître parfaitement les propriétés d un MCP pour pouvoir simuler/dimensionner/optimiser. Intensification du MCP 3

5 Méthodologie suivie Couplage expérimentation-modélisation Sélection du matériau - Plage de température de fusion adéquate - grande chaleur latente - grande densité - faible coût - faible dangerosité - stabilité dans le temps - fiabilité des matériaux de confinement - faible surfusion Etude des comportements énergétique et thermique de systèmes intégrant des MCP Passe par la connaissance fine du processus de transition de phase. Caractérisation thermophysique possible par des méthodes calorimétriques améliorées Etude de la cinétique de changement d'état (fusion - cristallisation) Expérimentations à l'échelle industrielle 4

6 Température de fusion et enthalpie de fusion des familles de MCP (ZAE Bayern) 5

7 Classifications des MCP solide-liquide (Cárdenas and León, 2013) 6

8 MCPs organiques - Paraffine (C n H 2n+2 ) Avantages Disponibilité dans un large intervalle de température Bonne chaleur latente Peu ou pas de surfusion Compatibilité avec des matériaux conventionnels de construction Pas de ségrégation Stable chimiquement Recyclable Inconvénients Faible conductivité thermique à l état solide (problème de puissance transférée). Inflammable. A cause des coûts, seules des paraffines de grade technique peuvent être utilisées (mélanges de paraffines). 7

9 Structure chimiques des alcanes C n H 2n+2 Sharma et al. ; Renewable and Sustainable Energy Reviews

10 Sharma et al. ; Renewable and Sustainable Energy Reviews

11 Problèmes rencontrés avec les MCPs dans les systèmes de stockage d énergie thermique Disponibilité à l échelle industrielle Fusion incongruente / séparation des phases Surfusion Faible conductivité mauvais transfert thermique Stabilité à long terme insuffisante Echelle industrielle - Prix - Disponibilité - Retour d expérience Structure - Corrosion - Densité - Variation de volume - Conductivité thermique Echangeur / intensification - Température de fusion - Chaleur latente - Surfusion - Stabilité Stockage d énergie 10

Problèmes rencontrés avec les MCPs Fusion incongruente / séparation des phases Différence de composition entre la phase liquide et la phase solide Décomposition en fonction de la température et du

12 Problèmes rencontrés avec les MCPs Fusion incongruente / séparation des phases Différence de composition entre la phase liquide et la phase solide Décomposition en fonction de la température et du nombre de cycles cristallisation-fusion Pour prévenir la fusion incongruente : - addition d un agent épaississant (gel) : Pour garder le MCP en suspension MCP homogène. Problème : le gel remplace une partie du MCP dans le système (les capacités volumiques de stockage sont donc plus faibles). - Fusion «dynamique» : Pour mélanger le MCP quand il est à l état liquide. Problème : Nécessite un système pour mélanger Fusion incongruente d un sel hydraté (Streicher, 2006). 11

13 Problèmes rencontrés avec les MCPs Surfusion T Liquide B J(T ) K(T )exp T(TF T ) 2 T F T C Liquide métastable Solide temps Eau degré de surfusion : DT = T F T C Phénomène stochastique (aléatoire) 0 Probabilité de cristallisation d un échantillon (cm 3 ) par unité de temps (heure) 12

14 La surfusion dépends de plusieurs paramètres : Volume de l échantillon : V ΔT Exemples : 0,3 l mm 3 m 3 Eau 8 K 20 K 36 K Paraffines * < 0,5 K K Substances organiques 20 K > 100 K Métaux 1-2 K > 200 K histoire thermique (cycles crystallisation-fusion subis par le MCP) La surfusion peut être diminuée : Surfusion Agents nucléants (cristal de structure similaire à celle du MCP) Point froid : un élément est refroidi à une température plus basse pour rompre la surfusion Rugosité au niveau de la surface en contact avec le MCP site de nucléation 13

Problèmes rencontrés avec les MCPs Faible conductivité thermique : λ ~ 0,2 à

K -1 pénalise le transfert thermique puissances entre stockage et déstockage

stabilité composites métal / MCP poudres métalliques mousses métalliques

solutions ailettes métalliques améliorations / tube seul ailettes graphites

15 Problèmes rencontrés avec les MCPs Faible conductivité thermique : λ ~ 0,2 à 0,7 W.m -1.K -1 pénalise le transfert thermique puissances entre stockage et déstockage Solutions composites graphite / MCP forte augmentation de λ coûts élevés stabilité composites métal / MCP poudres métalliques mousses métalliques problème de corrosion (acier) Mousse amélioration de l échangeur autres solutions ailettes métalliques améliorations / tube seul ailettes graphites meilleures mais tenue mécanique Tubes ailetés Microencapsulation Contact direct entre le MCP et le fluide de transfert Echangeur à surface raclée coût 14

16 Problèmes rencontrés avec les MCPs Problème de stabilité à long terme (dégradation du matériau, corrosion, ) Influence de la production de nitrite de sodium sur le NaNO 3 (MCP) Grade laboratoire (Acros Organics) et industriel (SQM) Synthèse des résultats lorsque la fraction de NaNO 2 augmente : la fusion se décale vers les température plus basses et «s étale» l énergie de transition diminue 15

Détermination de la température de fusion, de la chaleur

17 Caractérisation des MCP température de fusion, chaleur latente, capacité calorifique, conductivité thermique Détermination de la température de fusion, de la chaleur latente Détermination de l enthalpie en fonction de la température 16

18 Differential scanning calorimetry (DSC) Dispositifs expérimentaux DSC porte échantillons(cabeza et al.) cellules TG-DSC Setaram > 400 C DSC HP Setaram -40 -> 120 C, 250 bars DSC Perkin Elmer -40 -> 700 C Mode step Mode dynamique 17

19 Differential scanning calorimetry (DSC) Méthode correcte pour les corps purs Difficultés pour les mélanges. Nécessité de développer des méthodes spécifiques 18

20 Méthode spécifique Cellule d aluminium de 20 μl 19

21 Caractérisation des MCP Conductivité thermique Déterminée par la mesure du flux d énergie transféré et de la différence de température aux frontières du MCP Viscosité Nombreuses méthodes et appareils disponibles mais avec des avantages et des inconvénients Nombreuses méthodes et appareils disponibles Difficultés pour avoir une valeur précise près de la température de fusion Expansion volumétrique du MCP Pas de problème particulier 20

22 Conclusions Le stockage d énergie est un élément essentiel pour faciliter la transition énergétique Dissocier dans le temps et dans l espace la production de l utilisation de l énergie. Meilleure maitrise de la demande Energétique Le stockage thermique est une solution attractive Les technologies de stockage d énergie latente sont parmi les plus intéressantes MCP Méthodologie de sélection spécifique Encore quelques problèmes pour certaines applications : MCP à un coût adapté Vieillissement du matériau Restitution de la puissance Des efforts en R&D sont encore nécessaires pour des températures supérieures à 40 C et pour réduire les coûts 21

23 Merci de votre attention Matériaux à Changement de Phase pour le stockage d énergie CONTACT Jean-Pierre BEDECARRATS Professeur jean-pierre.bedecarrats@univ-pau.fr Laboratoire de Thermique Energétique et procédés EA

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