Étude et développement de nouveaux matériaux pour des applications de stockage thermique compact à haute température

Abstract

Les composés péritectiques ont été étudiés récemment en tant que matériaux prometteurs de stockage de l'énergie thermique à hautes températures. Dans une transformation péritectique, une phase liquide réagit avec au moins une phase solide, à une température bien définie, pour former une nouvelle phase solide. Les réactions péritectiques conduisant à la formation des composés péritectiques fournissent des densités énergétiques théoriques exceptionnelles. Les processus de charge et décharge du composé péritectique s'opèrent à température constante et pression atmosphérique à travers la réaction péritectique réversible, résultant en un simple system de stockage thermique offrant une densité énergétique plus élevée que celle des MCPs actuellement utilisés et comparable à celle des meilleurs réactions gaz-solide en cours de développement. Cette thèse vise à développer de nouveaux matériaux à base du composé péritectique Li4(OH)3Br, à hautes performances en terme de densité énergétique, compacité, stabilité, et rentabilité, pour le stockage compact de l'énergie thermique dans des applications d'énergie solaire. Le choix du Li4(OH)3Br en tant que matériau de stockage thermique a été basé sur de sa haute densité énergétique théorique (800 J/g à -300 °C). La validation du choix de Li4(OH)3Br a été effectuée a travers une étude approfondie du système binaire LiOH-LiBr. Cette validation est motivée par les divergences importantes observées dans la littérature concernant les valeurs de température et d'enthalpie relatives à la réaction péritectique, ainsi que les composés stœchiométrique présents dans le diagramme de phase LiOH-LiBr. Les résultats ont permis d'établir un nouveau diagramme de phase qui s'adapte mieux aux résultats expérimentaux. De plus, une caractérisation complète des propriétés thermo­physiques du Li4(OH)3Br a été effectuée. Les résultats ont permis d'élucider le mécanisme de formation du composé Li4(OH)3Br. Il a été démontré que, pour se former, le composé stœchiométrique Li4(OH)3Br nuclée et se développe directement de la phase liquide sans avoir besoin de présence, ni de contact avec la phase pro-péritectique. L'effet des paramètres de synthèse sur les propriétés thermique du Li4(OH)3Br a été étudié, permettant de développer et d'optimiser son processus d'élaboration. Globalement, les propriétés thermiques du Li4(OH)3Br sont appropriées à être utilisés dans des centrales solaires thermiques à Génération Directe de Vapeur (GDV) à haute pression (c.a. 100 bar). Ce matériau s'est montré plus performant que le matériau de référence utilisé pour cette application (NaNO3). En outre, des composites Li4(OHhBr /Carbone ont été développés et étudiés dans le but d'améliorer les propriété de stockage du sel. Une amélioration légère de la capacité de stockage a été obtenue pour les composites à faible teneur en carbone (1 % ). Par ailleurs, l'étude de la corrosion entre Li4(OH)3Br et les potentiels matériaux de structure du conteneur (Acier au carbone A516.Gr70, et l'acier inoxydable AISI 316) a été conduite dans différentes conditions expérimentales. L'acier inoxydable 316 semble être une option attrayante pour être utilisé comme matériau de réservoir pour Li4(OHhBr. En revanche, L'acier au carbone semble réagir avec le sel causant la dégradation de ce dernier. Enfin, des composites à forme stabilisée ont été développés et étudiés pour limiter le phénomène de corrosion des matériaux de réservoir par le sel, ce qui permettra la reconsidération de l'utilisation de l'acier au carbone comme matériau de structure de conteneur compte tenu de son faible cout comparé à l'acier inoxydable. Une méthodologie a été établie et suivie afin de sélectionner les meilleurs matériaux supports pour la stabilisation de forme du Li4(OH)3Br. [...]