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– 2015 – THÈSE UNIVERSITE DE PAU ET DES PAYS DE L’ADOUR École doctorale des sci

– 2015 – THÈSE UNIVERSITE DE PAU ET DES PAYS DE L’ADOUR École doctorale des sciences exactes et leurs applications Présentée et soutenue le 22 septembre 2015 par Adrien LOMONACO pour obtenir le grade de docteur de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour Spécialité : Énergétique STOCKAGE D’ÉNERGIE THERMIQUE PAR MATÉRIAUX À CHANGEMENTS DE PHASE ADAPTÉ AUX CENTRALES SOLAIRES THERMODYNAMIQUES MEMBRES DU JURY RAPPORTEURS • Madame Elena PALOMO DEL BARRIO Professeur de l’Université de Bordeaux 1 • Monsieur Xavier PY Professeur de l’Université de Perpignan Via Domitia EXAMINATEURS • Monsieur Benoît STUTZ Professeur de l’Université de Savoie Mont Blanc DIRECTEURS • Monsieur Didier HAILLOT Maître de Conférences de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour • Monsieur Jean-Pierre BÉDÉCARRATS Professeur de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour À mes Parents et mes Frères Il faut se donner les moyens de ses ambitions… Les premières lignes de mon mémoire de thèse sont consacrées aux remerciements de toutes les personnes qui m’ont accompagné dans la réalisation de ce travail. Ainsi je tiens à remercier mes encadrants Jean-Pierre Bédécarrats et Didier Haillot pour l’aide et le temps qu’ils m’ont consacré. Les 3 ans qu’a duré ce projet ont été jalonnés de défis qu’il aurait été impossible de relever sans eux. Je tiens pareillement à remercier Erwin Franquet, Stéphane Gibout et Jean-Pierre Dumas du LaTEP ainsi que les interlocuteurs des différents partenaires du projet avec qui j’ai collaboré, notamment Emmanuelle Peter, Guillaume de Combarieu, Benoît Sénéchal et Charles-André Lemarié, pour leur appui scientifique et leurs conseils. J’exprime également toute ma gratitude à l’équipe technique de l’ENSGTI ainsi qu’à l’équipe de l’atelier de physique de l’UPPA pour leurs conseils et leur aide sur le montage expérimental. Je suis par ailleurs très reconnaissant à Mme Palomo et M. Py d’avoir accepté de juger ce travail, ainsi qu’à M. Stutz d’avoir présidé le jury. Je remercie également le Laboratoire de Thermique, Énergétique et Procédés et son directeur Pierre Cézac, ainsi que l’ensemble de ses membres avec une mention spéciale pour mes collègues doctorants, pour l’accueil qu’ils m’ont réservé et toutes les expériences que nous avons partagées, aussi bien sur le plan professionnel qu’humain. Dans le même temps, je témoigne de ma gratitude au personnel de l’école d’ingénieur ENSGTI, dirigé par Jacques Mercadier, qui m’a accueilli dans le cadre de mon monitorat. Les moments passés au sein de ces deux entités ont été riches d’échanges et de réflexion, de soutien quand les choses étaient difficiles. Je garderais un souvenir très agréable de mon passage, de ces années de travail entrecoupées de (nombreux) intermèdes sympathiques, où l’humour (et la finesse) permettait de se distraire l’esprit. Il m’est aussi particulièrement agréable de remercier mes ami(e)s de Maïana, avec qui j’ai partagé d’innombrables moments exquis, sur mer comme sur terre. Impossible d’imaginer tout ce travail (pour faire bouillir de l’eau) sans la compensation qu’apportent ces instants vécus en votre compagnie qui sont de réelles bouffées d’oxygènes iodées. Enfin je tiens à remercier mes parents Lionel et Claudine ainsi que mes frères Clément et Quentin pour leurs encouragements et les conseils qu’ils m’ont apportés, et la joie qu’ils partagent avec moi pour la clôture de cet épisode. Sans votre soutien, cela n’aurait pas été possible. Sans vous, cela n’aurait pas eu de sens… Résumé Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet Stockage Thermique Appliqué à l’extension de pRoduction d’énergie Solaire thermodynamique (STARS) porté par le consortium composé d’AREVA Renouvelables, la société Hamon d’Hondt, l’institut CEA liten et les laboratoires IPNO, LPCS et LaTEP. Ce projet est accompagné par l’ADEME dans le cadre du programme énergies décarbonnées des investissements d’avenir. L’objectif du projet STARS est de développer une solution de stockage thermique adaptée aux centrales solaires thermodynamiques à concentration utilisant la génération directe de vapeur, technologie proposée par AREVA. Cette vapeur alimente une turbine qui, couplée à un alternateur, génère de l’électricité. Cette solution doit permettre de découpler la production d’électricité de la disponibilité de la ressource solaire, qui est intermittente. Afin de s’adapter à la génération directe de vapeur, un système de stockage intégrant l’utilisation de la chaleur latente d’un matériau à changement de phase (MCP) a été imaginé. Le travail présenté dans ce document vise à sélectionner ce MCP et à en étudier différentes caractéristiques thermique et physico-chimique en vue de sa mise en œuvre à l’échelle industrielle. Le premier chapitre de ce manuscrit situe le contexte de l’étude en dressant un état de l’art des différents systèmes solaires à concentration existants et des différents moyens de stocker l’énergie pour ce type de technologie. Le projet STARS est ensuite présenté. Ce chapitre se termine par un descriptif des objectifs du travail de thèse. L’intégralité du processus de sélection du MCP, incluant le recensement des matériaux dans la littérature, la définition des critères de sélection et la caractérisation par calorimétrie différentielle à balayage des candidats les plus pertinents, est détaillée dans le chapitre II. À l’issue de ce travail, le choix du consortium se porte sur le nitrate de sodium, un sel inorganique possédant une température de fusion adaptée à la technologie d’AREVA et une densité de stockage importante. La poursuite de l’étude, concernant la stabilité thermique du MCP durant son utilisation en conditions industrielles, fait l’objet du chapitre III. Cette étude comporte une partie bibliographique permettant de mettre en évidence les problématiques liées à la dégradation thermique du matériau et à son comportement vis-à-vis des matériaux métalliques avec lesquels il sera amené à être en contact (échangeur de chaleur, cuve de stockage). La principale conséquence des phénomènes mis en évidence étant la réduction du nitrate de sodium en nitrite de sodium, l’étude de l’impact du taux de nitrite de sodium sur les propriétés thermiques du MCP a été réalisée. Les résultats de cette campagne expérimentale ont montré une diminution significative de la température de fusion et de la chaleur latente du MCP lorsque la proportion de nitrite de sodium croît. Afin d’étudier l’évolution de composition du MCP dans des conditions réelles de fonctionnement, un dispositif a été conçu spécifiquement pour reproduire des conditions de cyclage thermique en présence de métaux. L’étude menée à l’aide de ce dispositif a permis d’analyser la cinétique de réduction du nitrate de sodium en nitrite de sodium. Les résultats montrent que l’évolution de composition du MCP dans les conditions opératoires du projet est négligeable, garantissant la stabilité des propriétés thermiques de celui- ci au cours de son utilisation. Enfin, le dernier chapitre est consacré à l’étude de l’amélioration des transferts thermiques au sein du MCP. En effet, le nitrate de sodium possède une conductivité thermique faible, pouvant limiter la puissance des échanges de chaleur dans le système de stockage. En premier lieu, un état de l’art des solutions d’intensification des transferts dans le domaine du stockage par chaleur latente est dressé. Ce travail a permis de mettre en évidence que l’utilisation de composites à base de mousses métalliques constitue une voie pertinente d’amélioration des transferts. Ainsi une campagne expérimentale visant à évaluer les performances de tels composites a permis de mettre en évidence le potentiel de ce type de configuration. Mots clefs : stockage de l’énergie thermique, matériaux à changement de phase, MCP, DSC, caractérisation thermique, centrales solaires, nitrate de sodium, intensification des transferts, énergie renouvelable. Abstract : This thesis was performed within the framework of the STARS project (Stockage Thermique Appliqué à l’extension de pRoduction d’énergie Solaire thermodynamique) carried by the consortium of AREVA Renouvelables, Hamon d’Hondt company, CEA institute liten and laboratories IPNO, LPCS and LaTEP. This project is accompanied by ADEME under the énergies décarbonnées des investissements d’avenir program. This project aims to develop a thermal energy storage solution adapted for thermodynamic concentrating solar power (CSP) plant, using direct steam generation technology, as proposed by AREVA. The produced steam drives a turbo generator which generates electricity. This solution will allow to uncouple electricity production from the availability of solar resource, which is intermittent. In order to match the direct steam generation behavior, a thermal energy storage system incorporating the use of latent heat of a phase change material (PCM) has been designed. The work presented here aims to select this phase change material and to study its thermal and physico-chemical properties for the purpose of its implementation on industrial scale. The first chapter of this manuscript sets up the context of this study by drawing a state of art of different existing CSP technologies and various ways to store energy for this kind of systems. The STARS project is then described. This chapter ends with a description of the thesis objectives. The entire PCM selection process, including identification of materials in literature, definition of various criteria and thermal characterization by differential scanning calorimetry (DSC) of the most relevant candidates, is detailed in chapter II. This work leads to the selection of sodium nitrate by the consortium, an inorganic salt with a suitable melting temperature considering AREVA’s technology and a large storage density. The following work, concerning the thermal stability of the PCM under thermal cycling, uploads/Litterature/ lomonaco-pdf.pdf