Etude des phénomènes de transport physique dans des nouveaux systèmes composites multi-échelles pour le stockage de l'énergie thermique

école doctorale

équipe

Groupe Milieux Fluides Rhéophysique

contexte

L'augmentation continue de la consommation d'énergie fossile et de l'approvisionnement en énergie a un impact crucial sur le changement climatique. Des efforts importants ont été déployés ces dernières années pour promouvoir une utilisation plus responsable de l'énergie via notamment le développement de systèmes de stockage d'énergie thermique (TES) efficaces et peu coûteux. Parmi les moyens disponibles pour stocker l'énergie thermique, l'énergie générée/absorbée lors d'une transition de phase (chaleur latente) est l'un des plus largement utilisés. Les matériaux à changement de phase (MCP) présentent une chaleur latente importante par unité de volume ; ils sont les composants de base de ces unités TES. Ces matériaux permettent de stocker la chaleur latente pendant la fusion et de libérer cette énergie pendant le processus de solidification. Les principaux avantages de ces systèmes résident dans (i) une température quasi-constante à laquelle la transition de phase se produit et (ii) la réversibilité des cycles tant que les matériaux ne présentent pas d'effets de vieillissement significatifs. Toutefois, les MCP présentent généralement une conductivité thermique assez faible, qui entraîne des taux de charge et de décharge lents. Un autre inconvénient important est le phénomène de surfusion, nécessitant d'amener le matériau à une température bien inférieure à la température de cristallisation pour réaliser le changement de phase liquide à solide. Dans ce dernier cas de surfusion, la chaleur latente stockée ne peut pas être récupérée efficacement, ce qui constitue un problème majeur pour les applications à température contrôlée. Une manière de lever ces difficultés est d'ajouter des interfaces solides - MCP dans tout le volume. En effet, la nucléation se produit aux limites du domaine du MCP, et la cristallisation se propage dans tout le volume du MCP. On s'intéresse ici aux systèmes constitués d'une matrice poreuse (mousse solide) saturée de MCP, ou encore des particules solides en suspension dans le MCP. Les principaux avantages de l'utilisation d'une matrice poreuse sont qu'elle augmente le nombre d'interfaces solide/MCP et, surtout, qu'elle distribue les sites de nucléation dans tout le volume. Les transferts de chaleur associés à de tels systèmes composites dépendent des propriétés thermo-physiques de chaque constituant (MCP, mousse solide, particules), et finalement de leurs propriétés effectives. Par exemple, une amélioration des temps de transfert de chaleur peut être obtenue en utilisant notamment des mousses solides de haute conductivité thermique, ou aussi en transférant la chaleur en régime convectif dans la phase liquide du MCP. A ce titre, un premier objectif est d'améliorer les propriétés macroscopiques des systèmes de stockage de l'énergie. À l'échelle nano/microscopique, les principaux objectifs sont de fournir des sites nucléés pour favoriser la cristallisation des MCP en introduisant des interfaces solides/liquides optimisées, et d'améliorer les propriétés macroscopiques telles que la capacité thermique et la conductivité thermique. De cette manière, les mousses poreuses peuvent offrir la possibilité de supprimer ou de limiter le sous-refroidissement indésirable du MCP. L'objectif final de ce présent projet est de proposer et concevoir de nouveaux systèmes composites qui améliorent à la fois les transferts thermiques et le changement de phase de MCP. L'amélioration de l'efficacité et de la stabilité des systèmes de stockage thermique à base de MCP aura un impact socio-économique important. Cependant, une telle amélioration doit être basée sur une approche physique qui explique tous les mécanismes impliqués dans de tels systèmes composites, à savoir une compréhension approfondie : i) des propriétés physiques des MCP (thermiques, rhéologiques et structurales) ; ii) des caractéristiques de transport thermique des composites à base de MCP (C-MCP) ; iii) de la dynamique de la transition de phase solide/liquide des MCP seuls et des C-MCP ; iv) de l'efficacité des C-MCP lorsqu'ils sont soumis à des conditions thermiques variables. Un point clé dans la réalisation de ce projet est la maîtrise des matériaux en jeu et de leur élaboration, notamment en termes de composition, de propriétés d'écoulement et de surface d'échange. Ces trois paramètres sont respectivement maîtrisables par impression 3D de mousses solides dont les matières, géométries et porosités seront optimisées par simulation numérique, notamment, et par des post-traitements adaptés pour y disperser des sites de nucléation. Plusieurs techniques développées et maîtrisées dans différents groupes du LEMTA seront mises en œuvre pour atteindre les objectifs du programme de recherche. Il s'agit des simulations à l'échelle atomique de fluides complexes, de la spectroscopie Raman, de la caractérisation photothermique, de la caractérisation macroscopique (rhéométrie, calorimétrie, tube chaud/aiguille, etc.), de l'imagerie par résonance magnétique (IRM), de l'impression 3D et de la chimie des matériaux au sens large. La maîtrise de ces objectifs permettra d'évaluer nos hypothèses de recherche dans un cadre multi-échelle : de l'impact de l'arrangement atomique des molécules de MCP à proximité d'une interface solide (parois d'un réseau poreux) à la performance globale de l'unité de stockage d'énergie thermique. Outre l'aspect multi-échelle, ce projet revêt un caractère pluridisciplinaire évident où le concours entre les sciences des matériaux, la physique, la mécanique et la thermique est primordial.

spécialité

Énergie et Mécanique

laboratoire

LEMTA – Laboratoire Energies & Mécanique Théorique et Appliquée