Elaboration de céramiques architecturées pour le stockage d'énergie thermique
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Abstract EN:
The aim of this thesis work is to develop a composite material with a high energy density for thermochemical heat storage. The main purpose is to produce heat through an exothermic hydration reaction of a hygroscopic salt, entirely reversible (storage as chemical potential), while avoiding the usual loss of performances reported in salt bed configurations. Such issues emerge over time, due to salt agglomeration during its hydration. Thus, the development of a composite made of salt attached onto a host material should prevent the salt agglomeration and enhance its reactivity. First, a protocol to characterize and investigate the salt (MgSO4,xH2O) cyclability behavior was developed to study its structural evolution (through XRD and FTIR). A first method of salt shaping was also proposed, that does not allow resolving the issues encountered in salt bed configurations. Secondly, the development of a host material (ceria zirconia) with a hierarchized porosity is proposed. Zirconia is shaped by additive manufacturing (robocasting) of a paste loaded with fugitive phases (starches) and consolidated by partial sintering. The resulting multi-scale porosity is thoroughly characterized by mean of complementary techniques, focusing on its volume, size and interconnection. Mechanical properties are characterized through compressive and bending tests. The relevance of the multi-scale porosity of the host material for the salt reactivity and stability is finally evaluated. Host material/salt composites are fabricated by liquid impregnation of a saturated saline solution. They are then characterized with the process developed for the characterization of the salt. The three-scale porosity enables the fabrication of composites with high energy density (417 kWh.m-3), that are stable over time, fulfilling the European target.
Abstract FR:
Ce travail de thèse a pour objectif de développer un matériau composite de haute densité énergétique pour le stockage de chaleur thermochimique. L’objectif principal est de libérer de la chaleur par hydratation exothermique d’un sel hygroscopique, de manière entièrement réversible (stockage sous forme de potentiel chimique), en évitant les pertes de performance systématiques constatées auparavant sur les systèmes à lit de sel, apparaissant avec le temps et dues à l’agglomération du sel. Ainsi, le développement d’un composite de type matériau hôte poreux/sel doit permettre d’éviter l’agglomération du sel et d’augmenter sa réactivité. Dans un premier temps, une méthodologie de cyclage et de caractérisation du sel sélectionné (MgSO4,xH2O) est établie afin d’étudier les évolutions structurales de ce sel (par couplage de résultats obtenus en DRX et en FTIR). Une première voie de mise en forme du sel est également proposée, ne permettant pas de résoudre les problématiques rencontrées en configuration lit de sel. Ainsi, dans un deuxième temps, le développement d’un matériau hôte (zircone cériée) à porosité architecturée est proposé. La zircone est mise en forme par technique de fabrication additive (robocasting) d’une pâte céramique contenant des phases fugitives (amidons) et consolidée par frittage partiel. La porosité multi-échelle résultante est minutieusement caractérisée en termes de volume, de taille et d’interconnexion par des techniques complémentaires. Les propriétés mécaniques sont également caractérisées à travers des essais de compression et de flexion trois points. La pertinence de cette porosité multi-échelle du matériau hôte sur la réactivité du sel et sa stabilité est évaluée dans un troisième temps. Des composites matériau hôtes/sels sont fabriqués par infiltration de solutions salines, puis caractérisés selon la méthodologie développée pour caractériser le sel. La porosité à trois échelles permet d’obtenir des composites de densité énergétique élevée (417 kWh.m-3) et stable au cours du temps, remplissant l’objectif européen.