Caractérisation et évaluation des différents modes de stockage thermique Aline AUROUX IRCELYON J Excel 3 CPE 20 novembre 2014
STOCKAGE DE CHALEUR THERMOCHIMIQUE NÉCESSITÉ D UN STOCKAGE DE CHALEUR SAISONNIER L une des sources d énergie renouvelable la plus abondante est l énergie solaire. L incidence solaireannuelle annuelle surune une petite maison d habitation est substantiellement plus grande que l énergie nécessaire pour chauffer la maison à certaines périodes. Cependant, l énergie solaire présente le net désavantage qu elle n est majoritairement disponible qu en été, alors que la demande en énergie a lieu en hiver. 2
Stockage thermique Sorption Chaleur sensible Chaleur latente E m, sens cp 2 T ( T T) ) 1 E m, latente H fusion Absorption Adsorption Réaction chimique d hydratation LiBr/H 2 O, LiCl/H 2 O, CaCl 2 /H 2 O, Gel de silice, zéolithes, charbon actif, silicealumine, MgSO 4, MgCl 2, Fe(OH) 2 CaSO 4,... Eau, béton, roche compacte, terre avec gravier, MCP organiques (paraffines, acides gras,...) MCP inorganiques i (sels hydratés, eutectiques, ) Composites 3
STOCKAGE DE CHALEUR THERMOCHIMIQUE SYSTÈMES DE STOCKAGE DE CHALEUR À LONG TERME POSSIBLES Principalement basés sur un stockage de chaleur sensible, latente ou thermochimique. L eau Leau est souvent utilisée pour le stockage de chaleur sensible, cependant pour un stockage à long terme il faudrait un réservoir de plus de 50 m 3, irréaliste pour une petite maison d habitation. Les stockages de chaleur latente ou thermochimique nécessitent de bien plus faibles volumes et ont le potentiel pour produire 5 14 fois plus de chaleur par unité de volume. 20 novembre 2014 J Excel3 4
STOCKAGE DE CHALEUR THERMOCHIMIQUE MATERIAUX DE STOCKAGE DE CHALEUR THERMOCHIMIQUE Actuellement les matériaux à plus fort potentiel de stockage de chaleur à long terme sont les matériaux de stockage de chaleur chimique. Ils ont une forte densité de stockage d énergie et la propriété de ne pas perdre d énergie thermique durantleur stockage. Les hydrates de sel tels que LiBr.2H 2 O, Al 2 (SO 4 ) 3.16H 2 O, CaCl 2.4H 2 O, MgCl 2.6H 2 O, et MgSO 4.6H 2 O (parmi d autres) sont desmatériaux prometteurs. A. Auroux 5
Densité dénergievolumique d énergie en fonction de latempérature de stockage 10000 m3) Chimique mique (kwh/ 1000 MgSO 4 dense Ca(OH) 2 CaCO 3 'énergie volu Densité d' 100 MCP Na 2 HPO 4.H 2 O Na 2 SO 4 CaCl 2.H 2 O Silice Zeolite Sorption Composite Chaleur sensible eau Béton 10 10 100 1000 Température ( C) 6
LE CONCEPT STOCKAGE THERMOCHIMIQUE eau/ composites solides Déshydratation (charge) du matériau de stockage de chaleur chimique en utilisant l énergie solaire. Hydratation du matériau de stockage de chaleur par utilisation de l air humide intérieur comme source de vapeur d eau eau. Le matériau restitue (décharge) la chaleur précédemment stockée. La chaleur émise sert à chauffer l air frais entrant via un échangeur de chaleur. 7
Choix des matériaux de systèmes de stockage thermochimique Densité de stockage énergétique élevée (kwh/m3) ; Stabilité thermique et mécanique des matériaux ; Cyclage facile ; Perte thermique faible ; Intégration facile dans le système du bâtiment ; Impact environnemental faible ; Maintenance facile ; Système compact ; Coût faible COMPOSITES: support + hd hydrate de sel
La matrice poreuse : choix du support Mésoporeux 2nm< d p >50nm silice-alumine Microporeux d p >2nm zéolithes Structure désordonnée Structure ordonnée (amorphe) (cristalline) 9
Stockage de chaleur thermochimique à long terme CHOIX DE L HYDRATE DE SEL - Haute densité d énergie - Pas de perte de chaleur Hydratation/déshydratation de MgSO 4 10
Thermogravimétrie: déshydratation de MgSO 4,7H 2 O A 150 C, 89% en masse d eau est désorbée 11
STOCKAGE THERMOCHIMIQUE eau/ composites solides MATERIAUX Sels: CaCl 2, MgSO 4, LiNO 3, Ba(OH) 2... CEPENDANT, durant l hydratation du sel anhydre, une croûte se forme (de sel hydraté) qui inhibe la diffusion de l eau dans la masse du matériau. Par conséquent, cette croûte empêche la récupération totale de la chaleur stockée dans le matériau. Disperser le sel sur un matériau hôte est une bonne méthode pour utiliser totalement les capacités de stockage / relargage de chaleur du sel. Les meilleurs supports sont des matériaux fortement poreux ( par ex zéolithes,..)car ils sont eux mêmes efficaces dans l adsorption de composés tels que l eau, avec fort dégagement de chaleur. 20 novembre 2014 A. Auroux 12
La procédure TG-DSC déshydratation par chauffage (2 C/min) de 20 C jusqu à 150 C suivi d une isotherme à 150 C de 3heures, avant de refroidir le composite à la température ambiante. Désorption à T=150ºC Hydratation-1y àl aided unfluxsaturéeneau à une température de 20 C; Pression de vapeur = 7.8 mbar (RH=30%) pendant 16 heures. Déshydration-11 à 150 C. Hydratation-2 à 20 C. RH= 30% Déshydration-2 à 150 C Adsorption à T=20ºC 1.Hydratation à Pv=0.86kPa. RH=30% à pression de vapeur 13 saturante = 2.6kPa. Température adsorption = 20 C.
STOCKAGE THERMOCHIMIQUE Eau/ composites solides RESULTATS ANALYSE THERMOGRAVIMETRIQUE (TG) Mesure de la perte en masse d eau de chaque matériau à des températures de déshydratation spécifiques. ( c est à dire pendant l été, fig ci dessous) Mesure du gain de masse en eau quand le matériau est réhydraté ( c est à dire l hiver) 160 0.5 Tempera ature ( o C) 140 120 100 80 60 40 20 0 50 100 150 200 250 300 Time (min) 0.0-0.5 05-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5 loss (mg) Mass 14
STOCKAGE THERMOCHIMIQUE Eau/ composites 15 RESULTATS DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY (DSC) Mesure de la température et du flux de chaleur associé à la réaction. Lors de la déshydratation, la chaleur est stockée (charge) et correspond à un pic endothermique: Ex. Zéolithe 13X ci dessous. Enthalpie: Chaleur de désorption en J/g of matériau. Chaleur de désorption en kj/mol de H 2 O (en associant à la perte de masse en eau par TG). mperature ( o C) Te 160 140 120 100 A B 80 60 40 20 0 50 100 150 200 250 300 Time (min) 2 1 0-1 -2-3 -4-5 Heat Flow (mw) 20 novembre 201 A; Auroux 15
STOCKAGE THERMOCHIMIQUE Eau/ composites DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY (DSC) Pendant l hydratation, la chaleur est restituée (décharge), correspondant à un pic exothermique ( Zéolithe 13X) Temperature ( o C) 21.6 21.4 21.2 21.0 20.8 20.6 A 200 400 600 800 Time (min) Sample Temperature ( o C) Hydration TG (mg) Heat flow (mw) 20 novembre 2014 A. Auroux 16 B 6.0 5.5 5.0 4.5 40 4.0 3.5 3.0 2.5 20 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 g) Mass Gain (m 0.4 0.2 0.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2 Heat Flow (mw W)
TG DSC: Eau/Supports Zeolithes Hydration heat (kj/mol H2O) Dehydration heat (kj/mol H2O) Hydration heat (J/g of material) 100 1000 Heat of Hydra ation/dehydr ration (kj/m ol of H2O) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Heat of Hydration (J/g of mater rial) Zeolite 13X Mordenite Zeolite Y (Na) Zeolite Y (H) 17 17
Heat of hy ydration (J/g of materia al) 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 STOCKAGE THERMOCHIMIQUE Eau/ composites solides Zeolite only 15 wt% MgCl2 15 wt% MgSO4 Na X MOR Na Y H Y Na X MOR Na Y H Y Zéolithe Na Y contenant 15 wt% MgCl 2 donne les plus fortes chaleurs de sorption de l eau (1173 J/g)
Analyse TG DSC : Eau/ Composites Zeolite 13X +MgSO 4 (0 15wt.%) Hydration Heat (kj/mol H2O) Dehydration Heat (kj/mol H2O) Hd Hydration Heat (J/g of material) 100 1000 He eat of Hydratio on/dehydratio on (kj/mol of H2O) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Heat of H ydration (J/g of material) 0 Zeolite 13X 13X 5% MgSO4 13X 10% MgSO4 13X 15% MgSO4 0 19 S A. Auroux 19
PRINCIPE DU STOCKAGE PAR ABSORPTION de vapeur d eau deau par une solution saline CHARGE
PRINCIPE DU STOCKAGE PAR ABSORPTION par une solution saline Intervalle température DECHARGE Générateur Condenseur Evaporateur Absorbeur 70 100 C 15 20 C 5 10 C 20 30 C
STOCKAGE THERMOCHIMIQUE Solutions aqueuses salines CARACTERISTIQUES DE L ABSORBANT LiBr! x 20 septembre 2014 A. Auroux 22
Faible pression de vapeur au dessus de la solution saturée en sel Cristallisation du sel dans le réservoir sous une forme peu hydratée Forte solubilité dans l eau leau STOCKAGE THERMOCHIMIQUE solutions aqueuses salines PROPRIÉTÉS CLÉS: Forte capacité d absorption d eau Forte solubilité dans l eau Faible coefficient d activité dans l eau H 2 O (g) H 2 O (g) H H 2 O (g) H 2 O (g) 2 O (g) Salt+H 2 O (l)salt+h 2 O (l) Salt+H 2O (l) 20 novembre 2014 Mesure des enthalpies de dissolution par calorimétrie de titration A. Auroux Mesure des pressions de vapeur par DVS 23
STOCKAGE THERMOCHIMIQUE Solutions aqueuses salines ENTHALPIE DE DISSOLUTION: mesure faite par calorimétrie de titration Pousse seringues seringues (eau dégazée) Système d injection Préchauffage Cellule d analyse Agitation magnétique 20 novembre 2014 A. Auroux 24
MCP: MATERIAUX A CHANGEMENT DE PHASE Un matériau à changement de phase est une substance à haute chaleur de fusion, qui fondant et se solidifiant à une certaine température, est capable de stocker et restituer de grandes quantités d énergie. La chaleur est absorbée ou restituée quand le matériau passe de solide à liquide et viceversa. Les MCP sont classés dans les LHS (latent heat storage material)
MATERIAUX à CHANGEMENT DE PHASE(MCP) Hautes valeurs de Cp et Ht Une température de transition compatible avec l applicationli i Stabilité à long terme et résistance au cyclage Faible surfusion Pas de ségrégation de phase Forte conductivité thermique Faiblechangement de densité Bon marché
MCP
MCP
CHALEUR SENSIBLE
MERCI DE VOTRE ATTENTION REMERCIEMENTS: Simona BENNICI Amira JABBARI HICHRI Emeline LEFEBVRE Consortium STAID Setaram et C Therm