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dc.contributor.advisorToutain, Jean
dc.contributor.advisorDoppiu, Stefania
dc.contributor.authorMAHROUG, Imane
dc.contributor.otherToutain, Jean
dc.contributor.otherDoppiu, Stefania
dc.contributor.otherBatsale, Jean-Christophe
dc.contributor.otherKuznik, Frédérik
dc.contributor.otherBedecarrats, Jean-Pierre
dc.contributor.otherAchchaq, Fouzia
dc.contributor.otherGarcia, Ana Miren
dc.contributor.otherLàzaro, Ana
dc.date2021-12-13
dc.date.accessioned2022-04-27T20:11:58Z
dc.date.available2022-04-27T20:11:58Z
dc.identifier.urihttp://www.theses.fr/2021BORD0371/abes
dc.identifier.urihttps://tel.archives-ouvertes.fr/tel-03652920
dc.identifier.urihttps://oskar-bordeaux.fr/handle/20.500.12278/139940
dc.identifier.nnt2021BORD0371
dc.description.abstractLes 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. [...]
dc.description.abstractEnPeritectic compounds have been investigated recently as promising HT-TES materials. Peritectic refers to a reaction in which a liquid phase reacts with at least one solid phase, at a defined temperature, to form one new solid phase. These reactions show to afford outstanding theoretical energy densities. The charge/discharge processes of the peritectic compounds take place at constant temperature and atmospheric pressure through the reversible peritectic reaction. As a result, a simple thermal storage system is provided with, potentially, much higher energy density than that of currently used phase change materials and comparable to that of best gas-solid reactions under development. This thesis aims at developing new materials based on the stoichiometric peritectic compound Li4(OH)3Br for thermal energy storage in solar power applications with high performances in terms of energy density, compactness, stability, and cost-effectiveness. Li4(OH)3Br was selected, as a candidate TES material, based on the outstanding theoretical energy density (800 J/g) it displays around 300 °C. In this study, an experimental validation of the choice of Li4(OH)3Br, as thermal storage material, was carried out through an exhaustive investigation of the LiOH-LiBr system. This validation is driven by the large discrepancies observed in the literature related to the temperature and enthalpy values of the peritectic reaction, as well as the stoichiometric compounds present in LiOH-LiBr phase diagram. The results allowed to propose a modified phase diagram for LiOH-LiBr that better adapts to the experimental results. Additionally, a comprehensive characterization of the thermo-physical properties of Li4(OH)3Br was carried out. It allowed to elucidate the mechanisms of the formation of Li4(OH)3Br. It was demonstrated that Li4(OH)3Br needs neither the presence nor contact with the pro-peritectic phase to form. It nucleates and grows directly from the melt so a pure phase Li4(OH)3Br final microstructure is achieved. The effect of the synthesis conditions on the storage properties has been investigated, allowing to develop and optimize a suitable synthesis process of Li4(OH)3Br. Overall, thermal storage properties of Li4(OH)3Br showed to be suitable for application in high-pressure (c.a. 100 bar) Direct Steam Generation (DSG) solar thermal power plants, showing higher performances over the currently employed material for this application (NaNO3). Moreover, Li4(OH)3Br/Carbon composites were investigated with the aim of enhancing the thermal storage performances of the peritectic. Slight storage capacity enhancement was achieved at low carbon doping. Furthermore, the compatibility between Li4(OH)3Br and potential storage tank materials (Carbon Steel A516.Gr70 & Stainless Steel AISI 316) was investigated under various corrosion conditions. Stainless steel 316 seems to be a very attractive option to be used as a container material for Li4(OH)3Br. Carbon steel, on the contrary, showed to react with the salt causing its degradation. Finally, Li4(OH)3Br based shape stabilized composites were developed to mitigate the corrosion limitations of container materials by the salt, which will allow reconsideration of the use of carbon steel as a container structure material given its low cost compared to the stainless steel. A methodology was established to select suitable supporting materials for shape stabilization of Li4(OH)3Br. It included the study of chemical compatibility between the salt and the supporting materials, anti-leakage performance evaluation, structural and thermodynamic properties analysis of the composite and cycling stability study. The ceramic MgO nanopowder was selected as the most convenient shape stabilizer for Li4(OH)3Br. This ceramic ensures the shape stabilization at 50 % oxide loading. The optimization of MgO loading was required to improve the overall storage capacity of the composite.
dc.language.isoen
dc.subjectComposés peritectiques
dc.subjectStockage thermique
dc.subjectComposite
dc.subjectHaute température
dc.subjectSels inorganiques
dc.subject.enPeritectic compounds
dc.subject.enThermal storage
dc.subject.enComposite
dc.subject.enHigh temperature
dc.subject.enInorganic salts
dc.titleÉtude et développement de nouveaux matériaux pour des applications de stockage thermique compact à haute température
dc.title.enStudy and development of new materials for high temperature compact thermal storage applications
dc.typeThèses de doctorat
dc.contributor.jurypresidentBatsale, Jean-Christophe
bordeaux.hal.laboratoriesInstitut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
bordeaux.institutionUniversité de Bordeaux
bordeaux.institutionBordeaux INP
bordeaux.institutionCNRS
bordeaux.institutionINRAE
bordeaux.institutionArts et Métiers
bordeaux.type.institutionBordeaux
bordeaux.type.institutionCIC EnergiGUNE
bordeaux.thesis.disciplineMécanique
bordeaux.ecole.doctoraleÉcole doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
star.origin.linkhttps://www.theses.fr/2021BORD0371
dc.contributor.rapporteurKuznik, Frédérik
dc.contributor.rapporteurBedecarrats, Jean-Pierre
bordeaux.COinSctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info:ofi/fmt:kev:mtx:journal&rft.title=%C3%89tude%20et%20d%C3%A9veloppement%20de%20nouveaux%20mat%C3%A9riaux%20pour%20des%20applications%20de%20stockage%20thermique%20compact%20%C3%A0%20haute%20temp%C3%A9ratur&rft.atitle=%C3%89tude%20et%20d%C3%A9veloppement%20de%20nouveaux%20mat%C3%A9riaux%20pour%20des%20applications%20de%20stockage%20thermique%20compact%20%C3%A0%20haute%20temp%C3%A9ratu&rft.au=MAHROUG,%20Imane&rft.genre=unknown


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