WO2023046767A1 - Composite for thermochemical reactor - Google Patents
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Definitions
- the crystallites are preferably attached along the reticles of the cells of the foam. This allows them to have a stable position within the composite. This allows at the same time to have a good circulation of water vapor through the cells.
- the crystallite salt hydrates may be chosen from the group consisting of CaCh-(2 to 6)H 2 O, MgCh-(1 to 6)H 2 O, Na 2 S-(0.5 to 9)H 2 O , MgSO 4 -7H 2 O and Na 2 SO 4 -10H 2 O, this list being non-exhaustive.
- thermoelastic in particular thermoelastic, can ensure the protection of the foam against the corrosion which takes place in the presence of salts and water vapour.
- the binder can be organic, hardening irreversibly by polymerization.
- thermochemical reactor module advantageously comprises a container, preferably metallic, housing at least one composite and having at least one opening to allow the exchange of water vapor between the composite and a condensation tank of the steam. water.
- the operating conditions are therefore defined by the degree of hydration desired to avoid deliquescence and melting. These two states must be avoided to preserve the powdery character with open porosity of the composite. For example, if the CaCh salt is used at its maximum degree of hydration (6 molecules of water), the melting temperature is only 30°C.
- Figures 17A and 17B represent thermochemical measurements of heat flux and temperature during the 1st and last 6h hydration phases, for the sample which underwent the sequence: 1) 6h hydration and dehydration , 2) 3h hydration and dehydration, 3) 1.5h hydration and dehydration, 4) 45min hydration and dehydration, 5) 6h hydration,
- figure 19B represents the thermochemical energy stored during dehydration
- the metal occupies approximately 15% of the total volume of foam 2 in the absence of crystallites 5.
- This subsequent step is a step of inserting the salt crystallites 5 into the foam 2.
- This insertion step described with reference to Figures 4 to 8.
- Figure 17 shows the thermochemical measurements of heat flux and temperature during the 1st and last 6h hydration phase.
- the maximum value of the initial peak (Fig. 17A) is about 23 mW. It is linked to an activating structural modification of the reactive medium, which is probably linked to a reorganization of the crista Hites during hydration and which increases the specific exchange surface. It is also important to note that once this first activation has been carried out, the values of the heat flux in general are greater during the following cycles. In particular, the height of the hydration start peak during the various following cycles corresponds to values ranging from 29 to 39 mW.
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Abstract
Description
Description Description
Titre : Composite pour réacteur thermochimique Title: Composite for thermochemical reactor
Domaine technique Technical area
La présente invention concerne un composite pour réacteur thermochimique, un procédé de fabrication d’un tel composite, une unité de stockage et restitution d’énergie par voie thermochimique ainsi qu’un procédé d’utilisation d’une telle unité de stockage et restitution d’énergie par voie thermochimique. The present invention relates to a composite for a thermochemical reactor, a method for manufacturing such a composite, a thermochemical energy storage and release unit and a method for using such an energy storage and release unit. energy by thermochemical means.
Technique antérieure Prior technique
Pour générer de la chaleur, il est connu de réaliser un module de réacteur thermochimique basé sur la réaction exothermique d’hydratation de poudres de sels par de la vapeur d’eau, pouvant fournir plusieurs centaines de kilojoules par kilogramme de poudre de sels. L’avantage de cette réaction est qu’elle est réversible, moyennant l’apport de chaleur. To generate heat, it is known to produce a thermochemical reactor module based on the exothermic reaction of hydration of salt powders by steam, which can provide several hundred kilojoules per kilogram of salt powder. The advantage of this reaction is that it is reversible, with the addition of heat.
Cependant, au fur et à mesure des cycles d’hydratation mis en œuvre sur les mêmes poudres de sel, celles-ci se compactent, ce qui conduit à une perte de porosité. La perte de porosité impacte la capacité d’hydratation par la diminution des surfaces d’échanges et de la cinétique de transport de la vapeur d’eau. However, as hydration cycles are carried out on the same salt powders, they become compacted, which leads to a loss of porosity. The loss of porosity impacts the hydration capacity by reducing the exchange surfaces and the water vapor transport kinetics.
De plus, un autre inconvénient de ce procédé est la faible conductivité thermique du sel. Moreover, another disadvantage of this method is the low thermal conductivity of the salt.
Il existe ainsi un besoin pour bénéficier d’un module de réacteur thermochimique qui n’ait pas ces deux inconvénients et qui permette un bon rendement thermique, stable dans le temps après mise en œuvre d’un grand nombre de cycles d’hydratation. There is thus a need to benefit from a thermochemical reactor module which does not have these two drawbacks and which allows good thermal efficiency, stable over time after implementation of a large number of hydration cycles.
Il existe encore un besoin de disposer d’une unité de stockage et restitution d’énergie par voie thermochimique à l’aide d’un tel module de réacteur, ainsi qu’un procédé d’utilisation d’une telle installation. There is still a need to have a unit for storing and restoring energy by thermochemical means using such a reactor module, as well as a method for using such an installation.
Exposé de l’invention Disclosure of Invention
L’invention répond à tout ou partie de ces besoins et elle y parvient grâce à, selon l’un de ses aspects, un composite pour réacteur thermochimique comportant : The invention meets all or part of these needs and it achieves this thanks to, according to one of its aspects, a composite for a thermochemical reactor comprising:
- une mousse en métal comportant une pluralité de cellules ouvertes, la taille moyenne d’une cellule étant comprise entre 50pm et 500pm, notamment entre 50 pm et 300 pm, - des cristallites de sels hydrophiles aptes à réagir de manière réversible avec de la vapeur d’eau dans une réaction d’hydratation pour former des cristallites d’hydrates de sels, les cristallites étant retenues au sein des cellules de la mousse. - a metal foam comprising a plurality of open cells, the average size of a cell being between 50 μm and 500 μm, in particular between 50 μm and 300 μm, - crystallites of hydrophilic salts capable of reversibly reacting with water vapor in a hydration reaction to form crystallites of salt hydrates, the crystallites being retained within the cells of the foam.
Grâce à l’invention, on bénéficie d’un composite pour réacteur thermochimique qui permet de conserver l’agencement des cristallites de manière à préserver les surfaces d’échange, les cristallites étant piégées dans les cellules ouvertes de la mousse. Thanks to the invention, there is a composite for a thermochemical reactor which makes it possible to preserve the arrangement of the crystallites so as to preserve the exchange surfaces, the crystallites being trapped in the open cells of the foam.
Les cristallites sont de préférence accrochées le long des réticules des cellules de la mousse. Cela leur permet d’avoir une position stable au sein du composite. Cela permet en même temps d’avoir une bonne circulation de la vapeur d’eau au travers des cellules. The crystallites are preferably attached along the reticles of the cells of the foam. This allows them to have a stable position within the composite. This allows at the same time to have a good circulation of water vapor through the cells.
La configuration du composite permet ainsi d’assurer les transferts de masse, c’est-à-dire de vapeur d’eau, à travers le milieu réactif formé par les cristallites, afin de permettre leur hydratation optimale et la formation d’hydrates de sels à partir des sels hydrophiles. The configuration of the composite thus makes it possible to ensure the transfer of mass, that is to say of water vapour, through the reactive medium formed by the crystallites, in order to allow their optimal hydration and the formation of hydrates of salts from hydrophilic salts.
De plus, le squelette de la mousse en métal permet d’assurer simultanément :In addition, the skeleton of the metal foam simultaneously ensures:
- la tenue mécanique du composite ; - the mechanical strength of the composite;
- la conservation de la surface spécifique d’échanges du milieu réactif des cristallites de sels en maintenant les cristallites sensiblement isolées les unes des autres et en limitant leur agglomération au cours des cycles d’hydratation, - conservation of the specific exchange surface of the reactive medium of the salt crystallites by maintaining the crystallites substantially isolated from each other and by limiting their agglomeration during the hydration cycles,
- la perméabilité optimale du composite à 1’ advection de la vapeur d’eau qui est le réactant, et - the optimal permeability of the composite to the advection of water vapor which is the reactant, and
- le transport de chaleur générée au sein du composite par la réaction d’hydratation des cristallites de sel vers un échangeur extérieur, qui assure l’exploitation thermique pour des applications de chauffage domestique et de production d’eau chaude, par exemple. - the transport of heat generated within the composite by the hydration reaction of the salt crystallites to an external exchanger, which ensures thermal exploitation for domestic heating and hot water production applications, for example.
Par « taille moyenne », on entend le diamètre apparent d’une cellule. Elle est obtenue par la moyenne arithmétique réalisée sur un grand nombre, c’est-à-dire supérieur à 10, de cellules. By “average size”, we mean the apparent diameter of a cell. It is obtained by the arithmetic mean carried out on a large number, that is to say greater than 10, of cells.
Pour mesurer la taille moyenne d’une cellule, c’est-à-dire de la porosité de la mousse, on peut utiliser la méthode de l’interception linéaire. Il s’agit : i) de tracer sur un cliché photographique de la mousse (projection 2D) des segments de droites dans des directions aléatoires, ii) de décompter le nombre N d’intersections de chaque ligne avec les réticules métalliques délimitant les cellules de la mousse. To measure the average size of a cell, that is to say the porosity of the foam, the linear intercept method can be used. It is a question of: i) tracing on a photographic plate of the foam (2D projection) segments of straight lines in random directions, ii) to count the number N of intersections of each line with the metallic crosshairs delimiting the cells of the foam.
La longueur des segments d’interception permet d’obtenir à partir de N un diamètre apparent des cellules, qui pourra être corrigé par un facteur de 1,6 pour tenir compte de l’approximation par projection sur une image 2D de la structure 3D réelle. On obtient ainsi un nombre de cellules par cm, ce qui permet de définir une taille moyenne de cellule. Les cellules sont formées de parois ouvertes appelées réticules. Les cellules donnent sa porosité à la mousse. The length of the intercept segments makes it possible to obtain from N an apparent diameter of the cells, which can be corrected by a factor of 1.6 to take into account the approximation by projection on a 2D image of the real 3D structure . A number of cells per cm is thus obtained, which makes it possible to define an average cell size. Cells are made up of open walls called reticles. The cells give the foam its porosity.
Les cristallites ont de préférence une taille moyenne comprise entre 10 pm et 150pm, de préférence encore entre 10 pm et 100 pm. The crystallites preferably have an average size of between 10 μm and 150 μm, more preferably between 10 μm and 100 μm.
Pour mesurer la taille moyenne des cristallites, on peut utiliser la méthode de l’interception linéaire décrite plus haut. To measure the average crystallite size, the linear intercept method described above can be used.
La taille moyenne des cellules inférieure à 500 pm permet d’incorporer une grande quantité de cristallites, en limitant avantageusement la taille moyenne des cristallites inférieure à 100 pm afin d’obtenir de grandes surfaces spécifiques d’échanges. The average cell size of less than 500 μm makes it possible to incorporate a large quantity of crystallites, advantageously limiting the average size of the crystallites to less than 100 μm in order to obtain large specific exchange surfaces.
La morphologie de la porosité des cellules de la mousse est par exemple de type tétrakaidécaèdre, tétradécaèdre ou octaèdre tronqué. The morphology of the porosity of the cells of the foam is for example of the tetrakaidecahedron, tetradecahedron or truncated octahedron type.
Le métal peut occuper plus de 10% du volume total de la mousse, par exemple 15%. La porosité peut donc s’établir entre 90% et 95% du volume total de la mousse. The metal can occupy more than 10% of the total volume of the foam, for example 15%. The porosity can therefore be between 90% and 95% of the total volume of the foam.
Les sels hydrophiles ont de préférence une enthalpie d’hydratation supérieure à 200 kJ/kg de matière. Hydrophilic salts preferably have an enthalpy of hydration greater than 200 kJ/kg of material.
Les hydrates de sels des cristallites peuvent être choisis dans le groupe constitué par CaCh-(2 à 6)H2O, MgCh-(l à 6)H2O, Na2S-(0,5 à 9)H2O, MgSO4-7H2O et Na2SO4- 10H2O, cette liste étant non exhaustive. The crystallite salt hydrates may be chosen from the group consisting of CaCh-(2 to 6)H 2 O, MgCh-(1 to 6)H 2 O, Na 2 S-(0.5 to 9)H 2 O , MgSO 4 -7H 2 O and Na 2 SO 4 -10H 2 O, this list being non-exhaustive.
Cette liste de sels/hydrates de sels illustre les différents degrés d’hydratation envisagés. Les sels peuvent être utilisés purs ou mixés en proportions variables. Le choix est essentiellement déterminé par des contraintes économiques, notamment le coût au kilogramme du sel, et techniques, notamment le contrôle de degré d’hydratation. This list of salts/salt hydrates illustrates the different degrees of hydration considered. The salts can be used pure or mixed in variable proportions. The choice is essentially determined by economic constraints, in particular the cost per kilogram of salt, and technical constraints, in particular the control of the degree of hydration.
Le métal constitutif de la mousse est par exemple choisi dans le groupe constitué par l’aluminium, le nickel, le cuivre et leurs alliages. The constituent metal of the foam is for example chosen from the group consisting of aluminum, nickel, copper and their alloys.
Le composite peut comporter un liant organique, de préférence insoluble dans l’eau, notamment choisi dans le groupe constitué par les polymères thermoplastiques, aptes à résister à des températures comprises entre 50°C à 150°C. Un tel liant peut recouvrir, notamment par enduction, au moins une partie des réticules des cellules de la mousse, de préférence au moins 75% de la surface des réticules, voire plus de 90%, notamment la totalité de la surface des réticules des cellules de la mousse. The composite may comprise an organic binder, preferably insoluble in water, chosen in particular from the group consisting of thermoplastic polymers, suitable to withstand temperatures between 50°C and 150°C. Such a binder can cover, in particular by coating, at least part of the reticles of the cells of the foam, preferably at least 75% of the surface of the reticles, or even more than 90%, in particular the entire surface of the reticles of the cells. foam.
Par le fait qu’il est insoluble dans l’eau, le liant organique permet de fixer des micro-cristallites de sel (nucléi) sur les réticules, lesquelles peuvent par la suite croître à partir d’une solution saturée en sel, ou bien servir de sites de nucléation à de nouvelles cristallites qui précipitent à partir de la solution. By the fact that it is insoluble in water, the organic binder makes it possible to fix micro-crystallites of salt (nuclei) on the reticles, which can subsequently grow from a solution saturated with salt, or else serve as nucleation sites for new crystallites that precipitate from solution.
Le liant est de préférence thermorésistant dans une gamme de températures allant de 50°C à 150°C. The binder is preferably heat resistant over a temperature range of 50°C to 150°C.
Le liant est avantageusement thermoélastique afin d’assurer le maintien des cristallites au cours de cycles thermiques lors de l’utilisation du composite. The binder is advantageously thermoelastic in order to ensure the maintenance of the crystallites during thermal cycles during the use of the composite.
La présence du liant, notamment thermoélastique, peut assurer la protection de la mousse vis-à-vis de la corrosion qui a lieu en présence de sels et de vapeur d’eau. The presence of the binder, in particular thermoelastic, can ensure the protection of the foam against the corrosion which takes place in the presence of salts and water vapour.
Le liant peut être organique, durcissant de façon irréversible par polymérisation.The binder can be organic, hardening irreversibly by polymerization.
La mousse présente par exemple une forme de plaque, une forme parallélépipédique ou une forme cylindrique, appropriée au conditionnement (contenant) du composite (contenu), afin de constituer des modules thermochimiques modulables. La forme de plaques est appropriée à un conditionnement en plateformes. La forme cylindrique est recommandée pour un conditionnement en tubes. La forme de la mousse peut être définie arbitrairement par l’utilisation qui est faite du composite. Il en est de même pour les dimensions de la mousse, qui peuvent varier entre 5 et 50 cm, selon le conditionnement et l’application voulues. The foam has for example a plate shape, a parallelepiped shape or a cylindrical shape, suitable for packaging (containing) the composite (content), in order to constitute modular thermochemical modules. The form of sheets is suitable for packaging in platforms. The cylindrical shape is recommended for packaging in tubes. The shape of the foam can be arbitrarily defined by the use made of the composite. The same is true for the dimensions of the foam, which can vary between 5 and 50 cm, depending on the packaging and the desired application.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, un procédé de fabrication d’un composite pour réacteur thermochimique tel que défini plus haut, le procédé comportant une étape de fabrication de la mousse consistant à imprégner, avec le métal de la mousse à l’état fondu, la porosité d’une matrice granulaire sacrificielle, notamment une matrice sacrificielle en sel commun (NaCl). Another subject of the invention, according to another of its aspects, in combination with the foregoing, is a process for manufacturing a composite for a thermochemical reactor as defined above, the process comprising a foam manufacturing step consisting to impregnate, with the metal of the foam in the molten state, the porosity of a sacrificial granular matrix, in particular a sacrificial matrix in common salt (NaCl).
La forme des cellules de la mousse peut être déterminée par la nature de la matrice sacrificielle, c’est-à-dire par la géométrie des cristallites de NaCl. La mousse en métal est avantageusement fabriquée pour répondre spécifiquement aux contraintes techniques de contrôle de la porosité ouverte et de sa taille moyenne. The shape of the foam cells can be determined by the nature of the sacrificial matrix, that is to say by the geometry of the NaCl crystallites. The metal foam is advantageously manufactured to specifically meet the technical constraints of controlling the open porosity and its average size.
L’imprégnation peut se faire par succion ou par injection. Impregnation can be done by suction or by injection.
L’étape de fabrication de la mousse est prévue de manière à permettre d’obtenir la taille moyenne des cellules souhaitée pour la mousse, c’est-à-dire comprise entre 50pm et 500pm. The foam manufacturing step is planned in such a way as to make it possible to obtain the average size of the cells desired for the foam, that is to say between 50 μm and 500 μm.
Le procédé comporte avantageusement une étape d’insertion des cristallites de sel dans la mousse. The method advantageously includes a step of inserting salt crystallites into the foam.
Cette étape vise à substituer au sel commun, qui est utilisé en tant que matériau modèle, un hydrate de sel approprié, tel que : 1) les chlorures de formule générale MCli ou 2 -nLLO, où n désigne un nombre entier de molécules d'eau et M désigne un cation alcalino- terreux ou métallique bivalent tel que Ca, Mg, 2) les sulfures, comme par exemple Na2S, 3) les sulfates, comme par exemple MgSO4, Na2SO4. This step aims to substitute the common salt, which is used as a model material, an appropriate salt hydrate, such as: 1) the chlorides of general formula MCli or 2 -nLLO, where n denotes an integer number of molecules of water and M denotes an alkaline-earth or bivalent metal cation such as Ca, Mg, 2) sulphides, such as for example Na2S, 3) sulphates, such as for example MgSO4, Na2SO4.
L’étape d’insertion, selon un premier mode de réalisation, peut comporter :The insertion step, according to a first embodiment, may comprise:
- le trempage de la mousse dans un bain d’une solution saline, notamment d’une solution saline saturée, - soaking the foam in a bath of a saline solution, in particular a saturated saline solution,
- l’évaporation de la solution, et - the evaporation of the solution, and
- la réalisation d’une précipitation directe des cristallites au sein des cellules de la mousse lors de l’évaporation de la solution. Celle-ci est avantageusement stimulée par chauffage, dont la température est adaptée à la cinétique de précipitation, laquelle dépend du type de sel. - the realization of a direct precipitation of the crystallites within the cells of the foam during the evaporation of the solution. This is advantageously stimulated by heating, the temperature of which is adapted to the precipitation kinetics, which depends on the type of salt.
Il en résulte une distribution spatiale hétérogène en densité, c’est-à-dire en quantité, et en tailles de cristallites. Selon la cinétique de précipitation, la taille des cristallites peut varier entre quelques pm et plusieurs centaines de pm. La cinétique de précipitation influence la densité, la morphologie et la taille des cristallites. La cinétique est contrôlée par la température et l’humidité ambiante, qui impose la cinétique d’évaporation, ainsi que par la nature du sel utilisé. This results in a heterogeneous spatial distribution in density, i.e. in quantity, and in crystallite sizes. Depending on the precipitation kinetics, the size of the crystallites can vary between a few pm and several hundred pm. Precipitation kinetics influence crystallite density, morphology and size. The kinetics are controlled by the temperature and the ambient humidity, which imposes the evaporation kinetics, as well as by the nature of the salt used.
Dans le cas de ce premier mode de réalisation, le procédé peut également comporter une étape, préalable à l’étape d’insertion, d’ensemencement de la mousse par des micro-cristallites, comportant le trempage de la mousse dans une solution saline, notamment une solution saline saturée, et le séchage à l’air ambiant. Il en résulte une distribution homogène de micro-cristallites fines, de taille moyenne inférieure à 100 pm le long des réticules de la mousse, mais en faible quantité. Cette étape préalable d’ensemencement de la mousse peut favoriser la croissance de cristallites à partir des micro-cristallites ensemencées lors de l’étape d’insertion ultérieure. In the case of this first embodiment, the method can also comprise a step, prior to the insertion step, of seeding the foam with micro-crystallites, comprising soaking the foam in a saline solution, including a saturated saline solution, and drying in ambient air. This results in a homogeneous distribution of fine micro-crystallites, with an average size of less than 100 μm along the reticles of the foam, but in small quantities. This preliminary step of seeding the foam can promote the growth of crystallites from the micro-crystallites seeded during the subsequent insertion step.
Selon un deuxième mode de réalisation, l’étape d’insertion comporte :According to a second embodiment, the insertion step comprises:
- l’humidification de la mousse ou l’enduction de la mousse avec un liant organique, de préférence insoluble dans l’eau, et - moistening the foam or coating the foam with an organic binder, preferably insoluble in water, and
- la réalisation d’un tamisage/vibrage d’une poudre de cristallites de sel à travers le réseau de la mousse. - carrying out sieving/vibration of a powder of salt crystallites through the network of the foam.
La poudre de cristallites de sel peut être finement calibrée, avec une taille moyenne de particules inférieure à 100pm. The salt crystallite powder can be finely graded, with an average particle size of less than 100µm.
Il résulte de ce mode de réalisation une distribution homogène de cristallites agglomérées le long des réticules de la mousse. Elles peuvent servir de sites de nucléation, d’où peuvent croître des cristallites par précipité à partir d’une solution saturée, comme décrit dans le premier mode de réalisation, sans avoir à recourir à l’ensemencement par trempage initial en solution saturée et séchage. This embodiment results in a homogeneous distribution of agglomerated crystallites along the reticles of the foam. They can serve as nucleation sites, from which can grow crystallites by precipitate from a saturated solution, as described in the first embodiment, without having to resort to seeding by initial soaking in saturated solution and drying. .
Quelle que soit l’étape d’insertion des cristallites mise en œuvre parmi les deux modes de réalisation décrits plus hauts, cette étape permet de garder la porosité de la mousse ouverte pour permettre les transferts de masse, c’est-à-dire de vapeur d’eau, à travers le matériau réactif constitué par les cristallites. Whatever the step of inserting the crystallites implemented among the two embodiments described above, this step makes it possible to keep the porosity of the foam open to allow the mass transfers, that is to say to water vapour, through the reactive material constituted by the crystallites.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, une unité de stockage et restitution d’énergie par voie thermochimique, comportant au moins un module de réacteur thermochimique comportant au moins un composite tel que défini plus haut et une enceinte d’échangeur thermique permettant la circulation d’un fluide caloporteur à l’intérieur de l’enceinte et logeant ledit au moins un module de réacteur thermochimique. Another subject of the invention, according to another of its aspects, in combination with the foregoing, is a thermochemical energy storage and release unit, comprising at least one thermochemical reactor module comprising at least one composite such as defined above and a heat exchanger enclosure allowing the circulation of a heat transfer fluid inside the enclosure and housing said at least one thermochemical reactor module.
Ledit au moins un module de réacteur thermochimique comporte avantageusement un contenant, de préférence métallique, logeant au moins un composite et présentant au moins une ouverture pour permettre les échanges de vapeur d’eau entre le composite et un réservoir de condensation de la vapeur d’eau. Said at least one thermochemical reactor module advantageously comprises a container, preferably metallic, housing at least one composite and having at least one opening to allow the exchange of water vapor between the composite and a condensation tank of the steam. water.
L’unité comporte avantageusement une pluralité de modules de réacteurs thermochimiques. Les modules de réacteurs thermochimiques peuvent être traversés par un ou plusieurs tubes de liaison ajourés qui présentent sur leur longueur au moins une ouverture débouchant dans chaque module. Le ou chaque tube de liaison peut être relié audit réservoir de condensation et être configuré pour permettre les échanges de vapeur d’eau entre le composite et ledit réservoir. Les contenants des modules de réacteurs thermochimiques sont avantageusement en contact, extérieurement, avec le fluide caloporteur. Le ou les tubes de liaison peuvent traverser plusieurs modules de réacteurs thermochimiques. The unit advantageously comprises a plurality of modules of thermochemical reactors. The modules of thermochemical reactors can be crossed by a or several perforated connecting tubes which have along their length at least one opening opening into each module. The or each connecting tube can be connected to said condensation tank and be configured to allow the exchange of water vapor between the composite and said tank. The containers of the modules of thermochemical reactors are advantageously in contact, externally, with the heat transfer fluid. The connecting tube(s) can pass through several modules of thermochemical reactors.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui a été défini plus haut, un procédé d’utilisation d’une unité de stockage et restitution d’énergie par voie thermochimique telle que définie plus haut, comportant les étapes suivantes : Another subject of the invention, according to another of its aspects, in combination with what has been defined above, is a method of using a unit for storing and restoring energy by thermochemical means as defined above. , comprising the following steps:
(a) Etape a : étape de stockage d’énergie dans ladite unité comportant le chauffage dudit au moins un module de réacteur thermochimique de manière à déshydrater au moins partiellement les cristallites d’hydrates de sel et à libérer de la vapeur d’eau qui est évacuée, notamment par le ou les tubes de liaison, puis condensée dans un réservoir de condensation,(a) Step a: step of storing energy in said unit comprising heating said at least one thermochemical reactor module so as to at least partially dehydrate the crystallites of salt hydrates and to release water vapor which is evacuated, in particular via the connecting tube or tubes, then condensed in a condensation tank,
(b) Etape b : étape de restitution d’énergie dans ladite unité dans laquelle la vapeur d’eau est réintroduite, notamment par le ou les tubes de liaison, dans le ou les composites dudit au moins un module de réacteur thermochimique et dans laquelle la production de chaleur dégagée par la réaction d’hydratation des hydrates de sel chauffe le fluide caloporteur qui est acheminé vers une ou des installations domestiques. (b) Step b: energy restitution step in said unit in which the water vapor is reintroduced, in particular through the connecting tube(s), into the composite(s) of said at least one thermochemical reactor module and in which the production of heat released by the hydration reaction of the salt hydrates heats the heat transfer fluid which is routed to one or more domestic installations.
Les conditions d’opération, notamment la gamme de températures et la pression partielle de vapeur d’eau, dépendent du type de sel d’hydrate et du degré d’hydratation admissible. La température de fusion de l’hydrate de sel baisse avec le degré d’hydratation. The operating conditions, in particular the temperature range and the partial water vapor pressure, depend on the type of hydrate salt and the allowable degree of hydration. The melting temperature of salt hydrate decreases with the degree of hydration.
Les conditions d’opération sont donc définies par le degré d’hydratation désiré pour éviter la déliquescence et la fusion. Ces deux états doivent être évités pour conserver le caractère pulvérulent à porosité ouverte du composite. Par exemple, si on utilise le sel CaCh à son degré d’hydratation maximal (6 molécules d’eau), la température de fusion est de seulement 30°C. The operating conditions are therefore defined by the degree of hydration desired to avoid deliquescence and melting. These two states must be avoided to preserve the powdery character with open porosity of the composite. For example, if the CaCh salt is used at its maximum degree of hydration (6 molecules of water), the melting temperature is only 30°C.
Les gammes de températures de fonctionnement du réacteur thermochimique et les degrés d’hydratation de l’hydrate de sel préconisés dépendent du sel considéré. Par exemple, si on utilise le sel CaCh, le degré d’hydratation est avantageusement limité à 2 ou 3 pour une hydratation totale de degré 6, avec des plages de température de 50 à 150°C.The operating temperature ranges of the thermochemical reactor and the degrees of hydration of the recommended salt hydrate depend on the salt considered. By For example, if the CaCh salt is used, the degree of hydration is advantageously limited to 2 or 3 for a total hydration of degree 6, with temperature ranges of 50 to 150°C.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel The invention may be better understood on reading the detailed description which follows, non-limiting examples of implementation thereof, and on examining the appended drawing, on which
[Fig 1] la figure 1 est une photographie d’un exemple de composite selon l’invention, [Fig 1] Figure 1 is a photograph of an example of a composite according to the invention,
[Fig 2] la figure 2 est une photographie agrandie d’une portion d’un exemple de mousse pour la réalisation du composite selon l’invention, [Fig 2] Figure 2 is an enlarged photograph of a portion of an example of foam for the production of the composite according to the invention,
[Fig 3] la figure 3 est une vue schématique en perspective d’une portion de composite selon l’invention, [Fig 3] Figure 3 is a schematic perspective view of a portion of composite according to the invention,
[Fig 4] la figure 4 est une photographie d’une portion de composite selon l’invention en cours de fabrication à l’aide du procédé selon l’invention, [Fig 4] Figure 4 is a photograph of a portion of composite according to the invention during manufacture using the method according to the invention,
[Fig 5] la figure 5 est une photographie d’une portion de composite selon l’invention en cours de fabrication à l’aide du procédé selon l’invention, [Fig 5] Figure 5 is a photograph of a portion of composite according to the invention during manufacture using the method according to the invention,
[Fig 6] la figure 6 est une photographie d’une portion de composite selon l’invention en cours de fabrication à l’aide du procédé selon l’invention, [Fig 6] Figure 6 is a photograph of a portion of composite according to the invention during manufacture using the method according to the invention,
[Fig 7] la figure 7 est une photographie d’une portion de composite selon l’invention en cours de fabrication à l’aide du procédé selon l’invention, [Fig 7] Figure 7 is a photograph of a portion of composite according to the invention during manufacture using the method according to the invention,
[Fig 8] la figure 8 est une photographie d’une portion de composite selon l’invention en cours de fabrication à l’aide du procédé selon l’invention, [Fig 8] Figure 8 is a photograph of a portion of composite according to the invention during manufacture using the method according to the invention,
[Fig 9] la figure 9 illustre schématiquement un exemple d’ensemble de modules de réacteurs thermochimiques comportant respectivement des composites selon l’invention, [Fig 9] figure 9 schematically illustrates an example of a set of thermochemical reactor modules respectively comprising composites according to the invention,
[Fig 10] la figure 10 est une vue schématique d’un exemple d’unité de stockage et restitution d’énergie par voie thermochimique utilisant les modules de réacteur thermochimique illustrés sur la figure 9, et vue dans sa phase de stockage thermochimique, [Fig 10] Figure 10 is a schematic view of an example of a thermochemical energy storage and release unit using the thermochemical reactor modules illustrated in Figure 9, and seen in its thermochemical storage phase,
[Fig 11] la figure 11 est une vue schématique similaire à la figure 10, l’unité étant vue dans sa phase de restitution thermochimique, [Fig 11] figure 11 is a schematic view similar to figure 10, the unit being seen in its thermochemical restitution phase,
[Fig 12] la figure 12 représente schématiquement un autre exemple d’ensemble de modules de réacteur thermochimique comportant respectivement des composites selon l’invention, [Fig 13] la figure 13 est une vue schématique d’un exemple d’unité de stockage et restitution d’énergie par voie thermochimique utilisant les modules de réacteur thermochimique illustrés sur la figure 12, et représentée dans sa phase de stockage thermochimique, [Fig 12] figure 12 schematically represents another example of a set of thermochemical reactor modules respectively comprising composites according to the invention, [Fig 13] Figure 13 is a schematic view of an example of a thermochemical energy storage and release unit using the thermochemical reactor modules illustrated in Figure 12, and shown in its thermochemical storage phase,
[Fig 14] la figure 14 est une vue schématique similaire à la figure 13, l’unité étant représentée dans sa phase de restitution thermochimique, [Fig 14] figure 14 is a schematic view similar to figure 13, the unit being represented in its thermochemical restitution phase,
[Fig 15] la figure 15 représente quatre cycles de mesure en calorimétrie différentielle à balayage de la température de fusion des hydrates de CaC12 contenus dans une mousse de Ni. Le résultat de 45°C correspond à la valeur attendue pour du tétra-hydrate de CaC12 ; [Fig 15] Figure 15 represents four measurement cycles by differential scanning calorimetry of the melting temperature of CaC12 hydrates contained in a Ni foam. The result of 45° C. corresponds to the expected value for CaC12 tetrahydrate;
[Fig 16] la figure 16 représente la mesure des flux de chaleur et de la température des composites Ni-hydrates de CaC12 pendant 36 heures d’hydratation par flux d’air ambiant (env. 60 % RH). L’énergie libérée pendant l’hydratation, est de Q = 570 J pour un composite de masse totale M = 506 mg, dont 256 mg de dihydrate de CaC12. L’enthalpie d’hydratation correspondante, H = - 327 kJ/mol, est proche de la valeur expérimentale de la littérature (H = - 368 kJ/mol) pour l’hydratation totale sous forme du CaC12-6H2O (hexahydrate), [Fig 16] Figure 16 represents the measurement of heat fluxes and temperature of CaC12 Ni-hydrate composites during 36 hours of hydration by ambient air flow (approx. 60% RH). The energy released during hydration is Q = 570 J for a composite with a total mass M = 506 mg, including 256 mg of CaC12 dihydrate. The corresponding hydration enthalpy, H = - 327 kJ/mol, is close to the experimental value in the literature (H = - 368 kJ/mol) for total hydration in the form of CaC12-6H2O (hexahydrate),
[Fig 17] les figures 17A et 17B représentent des mesures thermochimiques de flux de chaleur et de température pendant la lere et la dernière phases d’hydratation de 6h, pour l’échantillon qui a subi la séquence : 1) hydratation de 6h et déshydratation, 2) hydratation de 3h et déshydratation, 3) hydratation de 1,5 h et déshydratation, 4) hydratation de 45 mn et déshydratation, 5) hydration de 6h, [Fig 17] Figures 17A and 17B represent thermochemical measurements of heat flux and temperature during the 1st and last 6h hydration phases, for the sample which underwent the sequence: 1) 6h hydration and dehydration , 2) 3h hydration and dehydration, 3) 1.5h hydration and dehydration, 4) 45min hydration and dehydration, 5) 6h hydration,
[Fig 18] la figure 18 représente le maximum du flux de chaleur lors des différents essais de cycles d’hydratation de durées variables et niveau d’hygrométrie de l’air ambiant utilisé pour l’hydratation (sur la figure la valeur moyenne est de 29,3 mW), [Fig 18] figure 18 represents the maximum heat flux during the various hydration cycle tests of variable durations and humidity level of the ambient air used for hydration (in the figure the average value is 29.3mW),
[Fig 19A] la figure 19A représente l’énergie thermochimique libérée lors des essais d’hydratation ; les essais marqués B sont les essais d’hydratation de 6 h, ceux marqués O de 3 h, ceux marqués V de 1.5 h, ceux marqués J de 1,5 h ; [Fig 19A] Figure 19A represents the thermochemical energy released during hydration tests; the tests marked B are the hydration tests for 6 hours, those marked O for 3 hours, those marked V for 1.5 hours, those marked J for 1.5 hours;
[Fig 19B] la figure 19B représente l’énergie thermochimique stockée lors de la déshydratation, [Fig 19B] figure 19B represents the thermochemical energy stored during dehydration,
[Fig 20] les figures 20A à 20C représentent les mesures thermochimiques de flux de chaleur et de température pour poudre de CaC12 monolithique (sans mousse métallique) pendant les trois premières phases de la séquence : 1) hydratation de 6h et déshydratation, 2) hydratation de 3h et déshydratation, 3) hydratation de 1,5 h et déshydratation. On voit qu’ après une activation initiale (hydratation de 6 h) comparable à celle du composite, les performances de la poudre monolithique baissent rapidement au cours de la séquence de cycles, avec un maximum de flux de chaleur qui baisse progressivement de 26 à 19, puis à 15 mW ; la figure 20D est un résumé des données en termes de maximum de flux de chaleur lors des différents essais de cycles d’hydratation de durées variables et niveau d’hygrométrie de l’air ambiant utilisé pour l’hydratation. Sur la figure la valeur moyenne est de 19,4 mW ; et [Fig 20] Figures 20A to 20C represent the thermochemical measurements of heat flux and temperature for monolithic CaC12 powder (without metal foam) during the first three phases of the sequence: 1) 6h hydration and dehydration, 2) 3h hydration and dehydration, 3) 1.5h hydration and dehydration. It can be seen that after an initial activation (6 h hydration) comparable to that of the composite, the performance of the monolithic powder drops rapidly during the sequence of cycles, with a maximum heat flux which gradually drops from 26 to 19 , then at 15 mW; FIG. 20D is a summary of the data in terms of maximum heat flux during the various tests of hydration cycles of variable durations and humidity level of the ambient air used for hydration. In the figure the average value is 19.4 mW; And
[Fig 21] la figure 21 est un tableau résumé les performances du composite par rapport au sel en poudre. [Fig 21] Figure 21 is a summary table of composite performance versus powdered salt.
Description détaillée detailed description
On a illustré à la figure 1 un exemple de composite 1 pour réacteur thermochimique selon l'invention comportant une mousse 2 en métal comportant une pluralité de cellules 3 ouvertes. There is illustrated in Figure 1 an example of composite 1 for thermochemical reactor according to the invention comprising a metal foam 2 comprising a plurality of open cells 3.
Un exemple de mousse 2, réalisée en aluminium, est représentée partiellement et isolément sur la figure 2. La taille moyenne d'une cellule 3 est comprise entre 50 pm et 300 pm. Des réticules 4 délimitent les cellules 3. An example of foam 2, made of aluminum, is shown partially and in isolation in FIG. 2. The average size of a cell 3 is between 50 μm and 300 μm. Reticles 4 delimit the cells 3.
Le composite 1 comporte encore des cristallites 5 de sels hydrophiles aptes à réagir de manière réversible avec de la vapeur d'eau dans une réaction d'hydratation pour former des cristallites 5 d’hydrates de sel, les cristallites 5 étant retenues, comme illustré très schématiquement sur la figure 3, au sein des cellules 3 de la mousse 2. The composite 1 further comprises crystallites 5 of hydrophilic salts capable of reversibly reacting with water vapor in a hydration reaction to form crystallites 5 of salt hydrates, the crystallites 5 being retained, as illustrated very schematically in Figure 3, within the cells 3 of the foam 2.
Les cristallites 5 ont une taille moyenne comprise entre 10 pm et 100 pm, de préférence, mais une taille jusqu’à 150 pm peut aussi convenir. La morphologie de la porosité des cellules 3 de la mousse 2 et dans cet exemple de type de type octaèdre tronqué ou tétrakai décaèdre. The crystallites 5 have an average size between 10 μm and 100 μm, preferably, but a size up to 150 μm can also be suitable. The morphology of the cell porosity 3 of the foam 2 and in this example of type of truncated octahedron or tetrakai decahedron type.
Dans l'exemple illustré, le métal occupe environ 15 % du volume total de la mousse 2 en l’absence des cristallites 5. In the example shown, the metal occupies approximately 15% of the total volume of foam 2 in the absence of crystallites 5.
Le composite 1 présente dans l’exemple de la figure 1 une forme de contour circulaire de faible épaisseur. Pour réaliser le composite 1, on peut mettre en œuvre le procédé de fabrication du composite 1 comportant les étapes décrites ci-après. The composite 1 has in the example of FIG. 1 a form of circular contour of small thickness. To produce the composite 1, it is possible to implement the method for manufacturing the composite 1 comprising the steps described below.
Une première étape, non illustrée, consiste à fabriquer la mousse 2 en métal comme celle qui est visible sur la figure 2. Pour ce faire, on imprègne, par succion ou par injection, avec le métal - en l'espèce l'aluminium - de la mousse 2 à l'état fondu, la porosité d'une matrice granulaire sacrificielle, dans cet exemple réalisée en sel commun NaCl. La forme des cellules 3 de la mousse 2 peut être déterminée par la nature de la matrice sacrificielle. On ne sort pas du cadre de l'invention si la nature de la matrice granulaire sacrificielle est différente. A first step, not illustrated, consists in manufacturing the foam 2 in metal like that which is visible in FIG. 2. To do this, one impregnates, by suction or by injection, with the metal - in this case aluminum - foam 2 in the molten state, the porosity of a sacrificial granular matrix, in this example made of common salt NaCl. The shape of the cells 3 of the foam 2 can be determined by the nature of the sacrificial matrix. It is not beyond the scope of the invention if the nature of the sacrificial granular matrix is different.
Dans une étape ultérieure, on va chercher à substituer au sel commun, qui est utilisé en tant que matériau modèle, un hydrate de sel approprié de formule générale MCh- nPLO, où n désigne un nombre entier de molécules d'eau et M désigne un cation alcalino- terreux ou métallique bivalent tel que Ca, Mg, . . . In a later step, we will seek to substitute the common salt, which is used as a model material, an appropriate salt hydrate of general formula MCh-nPLO, where n denotes an integer number of water molecules and M denotes a alkaline earth cation or bivalent metal such as Ca, Mg,. . .
Cette étape ultérieure est une étape d’insertion des cristallites 5 de sel dans la mousse 2. Plusieurs modes de réalisation différents sont possibles pour cette étape d’insertion, décrits en regard des figures 4 à 8. This subsequent step is a step of inserting the salt crystallites 5 into the foam 2. Several different embodiments are possible for this insertion step, described with reference to Figures 4 to 8.
Dans l'exemple illustré sur la figure 4 qui représente le résultat obtenu après mise en œuvre du premier mode de réalisation, on réalise la précipitation directe des cristallites 5 au sein des cellules 3 de la mousse 2 lors de l'évaporation d'une solution saline saturée dans laquelle la mousse 2 a été préalablement immergée. In the example illustrated in FIG. 4 which represents the result obtained after implementation of the first embodiment, the direct precipitation of the crystallites 5 within the cells 3 of the foam 2 during the evaporation of a solution saturated saline in which the foam 2 has been previously immersed.
Dans l'exemple illustré sur la figure 5 qui représente le résultat obtenu après mise en œuvre du deuxième mode de réalisation, on réalise le dépôt d'une poudre de cristallites de sel tamisée sur la mousse 2 préalablement humidifiée. In the example illustrated in FIG. 5, which represents the result obtained after implementing the second embodiment, a sieved powder of salt crystallites is deposited on the previously moistened foam 2.
Dans le mode de réalisation de la figure 6 illustrant le résultat obtenu, on réalise une précipitation à partir de la solution saturée restant par capillarité sur la mousse 2 trempée puis retirée de la solution. In the embodiment of FIG. 6 illustrating the result obtained, precipitation is carried out from the saturated solution remaining by capillarity on the foam 2 soaked then removed from the solution.
Dans le mode de réalisation des figures 7 et 8 illustrant également le résultat obtenu, on a inséré les cristallites 5 de sel dans la structure de la mousse 2 en métal par tamisage et vibration sur la mousse 2 préalablement enduite de liant organique. La figure 7 est vue en microscopie optique tandis que la figure 8 est vue par microscopie électronique à balayage. L'étape d'insertion des cristallites 5 mise en œuvre permet de garder la porosité de la mousse 2 ouverte pour permettre les transferts de vapeur d'eau à travers le composite 1. Quel que soit le mode de réalisation mis en œuvre, on constate au vu des figures que les cristallites sont accrochées aux réticules 4 des cellules 3 et non en libre circulation au sein des cellules 3. In the embodiment of FIGS. 7 and 8 also illustrating the result obtained, the salt crystallites 5 have been inserted into the structure of the metal foam 2 by sieving and vibration on the foam 2 previously coated with organic binder. Figure 7 is seen by optical microscopy while Figure 8 is seen by scanning electron microscopy. The step of inserting the crystallites 5 implemented makes it possible to keep the porosity of the foam 2 open to allow the transfer of water vapor through the composite 1. Whatever the embodiment implemented, it is observed in view of the figures that the crystallites are attached to the reticles 4 of the cells 3 and not in free circulation within the cells 3.
On a représenté sur les figures 9, 10 et 11, un exemple de mise en œuvre du composite 1. Sur les figures 10 et 11, on a illustré une unité 100 de stockage et restitution d'énergie par voie thermochimique selon l’invention, comportant au moins un module 10 de réacteur thermochimique comportant au moins un composite 1. L’unité 100 comporte encore une enceinte 110 d'échangeur thermique permettant la circulation d'un fluide caloporteur F et logeant ledit au moins un module 10 de réacteur thermochimique. There is shown in Figures 9, 10 and 11, an example of implementation of the composite 1. In Figures 10 and 11, there is illustrated a unit 100 for storing and restoring energy by thermochemical means according to the invention, comprising at least one thermochemical reactor module 10 comprising at least one composite 1. The unit 100 further comprises a heat exchanger enclosure 110 allowing the circulation of a heat transfer fluid F and housing said at least one thermochemical reactor module 10.
Dans l'exemple illustré, l'unité 100 comporte un nombre p supérieur ou égal à trois de modules 10. Le nombre p est avantageusement ajusté selon la puissance voulue du réacteur thermochimique. In the example illustrated, the unit 100 comprises a number p greater than or equal to three of modules 10. The number p is advantageously adjusted according to the desired power of the thermochemical reactor.
Comme plus particulièrement visible sur la figure 9, chaque module 10 comporte un contenant 11 métallique logeant un composite 1 sous forme de cylindre. Le contenant 11 présente au moins une ouverture 12, dans cet exemple une pluralité d'ouvertures 12, pour permettre les échanges de vapeur d'eau, comme illustré avec les flèches sur cette figure 9, entre le composite 1 et un réservoir 112 de condensation de la vapeur d'eau, comme cela va être décrit ci-après en regard des figures 10 et 11. As more particularly visible in FIG. 9, each module 10 comprises a metal container 11 housing a composite 1 in the form of a cylinder. The container 11 has at least one opening 12, in this example a plurality of openings 12, to allow the exchange of water vapour, as illustrated with the arrows in this figure 9, between the composite 1 and a reservoir 112 of condensation steam, as will be described below with respect to Figures 10 and 11.
Les contenants 11 sont dans cet exemple logés dans une enceinte 111, métallique, elle-même en contact avec le fluide caloporteur F, extérieurement. The containers 11 are in this example housed in an enclosure 111, metal, itself in contact with the heat transfer fluid F, externally.
Lors de la mise en œuvre du procédé d'utilisation de l'unité 100 de stockage et restitution d'énergie par voie thermochimique, on met en œuvre une étape de stockage d'énergie, illustrée sur la figure 10, dans l'unité 100. Cette étape consiste à chauffer, par exemple à l’aide du fluide caloporteur F, les modules 10 de réacteur thermochimique de manière à déshydrater au moins partiellement les cristallites 5 d’hydrates de sel et à libérer de la vapeur d'eau E qui est évacuée puis condensée dans le réservoir de condensation 112. During the implementation of the method for using the unit 100 for storing and restoring energy by thermochemical means, an energy storage step is implemented, illustrated in FIG. 10, in the unit 100 This step consists in heating, for example using the heat transfer fluid F, the modules 10 of the thermochemical reactor so as to at least partially dehydrate the crystallites 5 of salt hydrates and to release water vapor E which is evacuated and then condensed in the condensation tank 112.
Le fluide caloporteur F peut être chauffé par des panneaux solaires thermiques ou photovoltaïques de manière à chauffer de manière externe l'enceinte 111 comportant les modules 10. Une réaction endothermique a lieu qui déshydrate les hydrates de sel contenus dans les composites des modules 10. La vapeur d'eau E est évacuée vers le réservoir de condensation 112. C'est une phase de stockage thermochimique, encore appelée charge, en période de disponibilité d'énergie excédentaire. The heat transfer fluid F can be heated by thermal or photovoltaic solar panels so as to externally heat the enclosure 111 comprising the modules 10. An endothermic reaction takes place which dehydrates the salt hydrates contained in the composites of the modules 10. The water vapor E is evacuated to the storage tank condensation 112. This is a phase of thermochemical storage, also called charging, in times of excess energy availability.
Les modules 10 sont disposés côte à côte sur des grilles 13 dans cet exemple, métalliques et ajourées pour laisser passer la vapeur d’eau. Plusieurs étages de modules 10 sont superposés, étant séparés par les grilles 13, comme visible sur les figures 10 et 11. The modules 10 are arranged side by side on grids 13 in this example, metallic and perforated to allow the water vapor to pass. Several levels of modules 10 are superimposed, being separated by the grids 13, as visible in Figures 10 and 11.
Dans une étape ultérieure illustrée sur la figure 11, la vapeur d'eau E est réinjectée depuis le réservoir 112 dans l'enceinte 111 dans cet exemple avec contrôle de la pression partielle pEEO pour contrôler le degré d’hydratation des sels, à l’aide d’un mélangeur 15 de gaz, de l'air A dans cet exemple disposé à la sortie de la vapeur d’eau E hors du réservoir 112. Une réaction exothermique d'hydratation des sels contenus dans les composites 1 des modules 10 a lieu, libérant de la chaleur qui permet de chauffer les enceintes 11 des modules 10, et donc l'enceinte 111 comprenant l'ensemble des modules 10, de telle sorte que le fluide caloporteur F, qui circule dans l'enceinte 110 d'échangeur thermique et se trouve au contact de la paroi de l’enceinte 111, est chauffé et transporté vers les installations utilitaires, par exemple le chauffage central, l'eau sanitaire. Cette phase illustrée sur la figure 11 est une phase de production thermochimique, ou décharge, en période de consommation d'énergie. L'invention permet ainsi de stocker de l'énergie pour l'utiliser quand cela est nécessaire. In a subsequent step illustrated in FIG. 11, the water vapor E is reinjected from the reservoir 112 into the enclosure 111 in this example with control of the partial pressure pEEO to control the degree of hydration of the salts, at the using a gas mixer 15, air A in this example placed at the outlet of the water vapor E from the tank 112. An exothermic hydration reaction of the salts contained in the composites 1 of the modules 10 has place, releasing heat which makes it possible to heat the enclosures 11 of the modules 10, and therefore the enclosure 111 comprising all the modules 10, so that the heat transfer fluid F, which circulates in the enclosure 110 of the exchanger thermal and is in contact with the wall of the enclosure 111, is heated and transported to the utility installations, for example central heating, sanitary water. This phase illustrated in FIG. 11 is a phase of thermochemical production, or discharge, during a period of energy consumption. The invention thus makes it possible to store energy in order to use it when necessary.
Un autre mode de mise en œuvre de l'invention a été illustré sur les figures 12 à 14. Dans ce mode de réalisation, comme visible sur la figure 12, le composite 1 est inséré sous forme de plaque de faible épaisseur entre des plaques 14 métalliques formant supérieurement et inférieurement les parois du contenant 11. La taille des plaques 14 peut être comprise entre 10 cm et plusieurs mètres, dans cet exemple entre 10 cm et 1 m. Les modules 10 présentent avantageusement une faible épaisseur, d’ordre centimétrique, notamment comprise entre 0,5 cm et 5 cm. L'enceinte 11 de chaque module 10 est étanche. Another embodiment of the invention has been illustrated in Figures 12 to 14. In this embodiment, as seen in Figure 12, the composite 1 is inserted in the form of a thin plate between plates 14 metal forming the upper and lower walls of the container 11. The size of the plates 14 can be between 10 cm and several meters, in this example between 10 cm and 1 m. The modules 10 advantageously have a low thickness, of centimetric order, in particular between 0.5 cm and 5 cm. The enclosure 11 of each module 10 is sealed.
Les modules 10 sont empilés entre eux comme visible sur la figure 12, à distance les uns des autres, et reliés les uns aux autres par des tubes de liaison 16 ajourés qui permettent aux composites 1 des différents modules 10 de communiquer les uns avec les autres tout en restant isolés de façon étanche vis-à-vis de l'environnement comportant le fluide caloporteur F qui circule, se trouvant autour des modules 10. Les tubes de liaison 16 comportent chacun au moins une ouverture 17 débouchant à l’intérieur d’un module 10. Cet ensemble des modules 10 et des tubes de liaison 16 est directement baigné dans l'enceinte d'échangeur thermique 110 logeant le fluide caloporteur F qui y circule. The modules 10 are stacked together as shown in Figure 12, at a distance from each other, and connected to each other by openwork connecting tubes 16 which allow the composites 1 of the different modules 10 to communicate with each other. while remaining insulated in a sealed manner vis-à-vis the environment comprising the heat transfer fluid F which circulates, located around the modules 10. The connecting tubes 16 each comprise at least one opening 17 opening inside a module 10. This all of the modules 10 and the connecting tubes 16 is directly bathed in the heat exchanger enclosure 110 housing the heat transfer fluid F which circulates therein.
Le principe de fonctionnement d'une telle unité 100 est illustré sur les figures 13 et 14. Lors du chargement illustré sur la figure 13, le fluide caloporteur F chauffé par une source extérieure d'énergie disponible chauffe les modules 10. Les hydrates de sel sèchent et libèrent de la vapeur d'eau E qui est évacuée par les tubes de liaison 16 et condensée dans le réservoir 112 annexe (non illustré sur cette figure mais similaire à celui du mode de réalisation des figures 10 et 11). The principle of operation of such a unit 100 is illustrated in FIGS. 13 and 14. During the loading illustrated in FIG. 13, the heat transfer fluid F heated by an external source of available energy heats the modules 10. The salt hydrates dry and release water vapor E which is evacuated by the connecting tubes 16 and condensed in the attached reservoir 112 (not illustrated in this figure but similar to that of the embodiment of FIGS. 10 and 11).
Lors de l'utilisation de l'unité 100, illustrée sur la figure 14, la vapeur d'eau E est réintroduite par les tubes de liaison 16 dans le composite 1 des modules 10. Le dégagement de la chaleur de réaction d’hydratation des hydrates de sel chauffe le fluide caloporteur F qui est acheminé vers les installations domestiques à chauffer. During the use of the unit 100, illustrated in FIG. 14, the water vapor E is reintroduced through the connecting tubes 16 into the composite 1 of the modules 10. The release of the heat of hydration reaction of the salt hydrates heats the heat transfer fluid F which is routed to the domestic installations to be heated.
L'avantage de ce mode de réalisation est de permettre d'avoir des unités de grande taille latérale et d'offrir directement une grande surface d'échange avec le fluide caloporteur F formée par les surfaces des plaques 14 des modules 10. The advantage of this embodiment is to make it possible to have units of large lateral size and to directly offer a large surface for exchange with the heat transfer fluid F formed by the surfaces of the plates 14 of the modules 10.
De plus, la fabrication industrielle de mousse est souvent, c’est-à-dire de manière standard, réalisée en couches peu épaisses et de dimensions étendues, ce qui permet de simplifier la fabrication de l'unité 100. In addition, the industrial manufacture of foam is often, that is to say in a standard way, carried out in thin layers and of extended dimensions, which makes it possible to simplify the manufacture of the unit 100.
Essais de comportement thermomécanique Thermomechanical behavior tests
Des essais mécaniques en compression, avec observation in situ MEB (microscope électronique à balayage » ont été réalisés sur les mousses de Al et de Cu et sur les composites « mousse - hydrates de CaCI2 » correspondants. Le comportement mécanique du composite est conditionné par la structure de la mousse métallique, qui assure son rôle d'ossature et permet aux crista Hites de sels de rester inaffectées par le chargement mécanique. En particulier, il n'y a pas dé décohésion des crista Hites et la porosité de la structure composite reste ouverte, même après de fortes déformations (10%). Ce résultat assurer l'efficacité cinétique des transferts de masse (vapeur de H2O). Des essais thermomécaniques en cycles thermiques avec observation in situ MEB (microscope électronique à balayage » ont été réalisés sur les mousses de Al et sur les composites « mousse - hydrates de CaCI2 » correspondants. La stabilité des composites aux contraintes thermomécaniques est démontrée suite à plusieurs cycles de température (jusqu'à 150°C). En particulier, les crista Hites ne subissent pas de décohésion et ne migrent pas dans la structure poreuse. Mechanical compression tests, with in situ observation SEM (scanning electron microscope" were carried out on the Al and Cu foams and on the corresponding "foam - CaCl2 hydrate" composites. The mechanical behavior of the composite is conditioned by the structure of the metal foam, which performs its role as a framework and allows the salt crista Hites to remain unaffected by mechanical loading.In particular, there is no decohesion of the crista Hites and the porosity of the composite structure remains open, even after strong deformations (10%).This result ensures the kinetic efficiency of mass transfer (H2O vapour).Thermomechanical tests in thermal cycles with in situ observation SEM (scanning electron microscope" were carried out on Al foams and on the corresponding "foam - CaCl2 hydrate" composites. The stability of the composites to thermomechanical stresses is demonstrated following several cycles of temperature (up to 150°C). In particular, the crista Hites do not undergo decohesion and do not migrate into the porous structure.
Essais de corn corn trials
Des essais thermochimiques ont été réalisés sur des composites par calorimétrie différentielle à balayage, afin de déterminer les températures de cristallisation et de fusion des hydrates de CaCI2, ainsi que les enthalpies de réaction d'hydratation. Thermochemical tests were carried out on composites by differential scanning calorimetry, in order to determine the crystallization and melting temperatures of CaCl2 hydrates, as well as the hydration reaction enthalpies.
On montre dans la Figure 15 un exemple de quatre cycles de mesures de température de fusion de CaCI2-4H2O, dont le résultat de 45°C confirme la forme tétra-hydratée des cristallites de CaCI2. An example of four cycles of CaCl2-4H2O melting temperature measurements is shown in Figure 15, the result of which at 45°C confirms the tetra-hydrated form of the CaCl2 crystallites.
On montre dans la Figure 16 les résultats des mesures des flux de chaleur et de température du composite « mousse de Ni - hydrates de CaCI2 » pendant 36 heures d'hydratation par flux d'air ambiant (env. 45 - 65 % RH). L'intégration du flux de chaleur permet de calculer la quantité d'énergie libérée pendant l'hydratation, qui est de Q = 570 J pour un composite de masse totale M = 506 mg, dont 256 mg de dihydrate de CaCI2 (forme initialement introduite dans le composite). En considérant cette énergie et en se basant sur la masse molaire du dihydrate de CaCI2, on obtient une enthalpie d'hydratation H = - 327 kJ/mol. Cette valeur est proche de la valeur expérimentale de la littérature (H = - 368 kJ/mol) pour l'hydratation totale sous forme du CaCI2-6H2O (hexahydrate) Shown in Figure 16 are the results of the measurements of the heat and temperature fluxes of the “Ni foam - CaCl2 hydrates” composite during 36 hours of hydration by ambient air flux (approx. 45-65% RH). The integration of the heat flux makes it possible to calculate the quantity of energy released during hydration, which is Q = 570 J for a composite of total mass M = 506 mg, including 256 mg of CaCl2 dihydrate (form initially introduced in composite). By considering this energy and based on the molar mass of the CaCl2 dihydrate, we obtain an enthalpy of hydration H = - 327 kJ/mol. This value is close to the experimental value of the literature (H = - 368 kJ/mol) for the total hydration in the form of CaCl2-6H2O (hexahydrate)
Des essais d'hydratation partielle ont été réalisés par cycles de séchage et d'hydratation consécutifs, en utilisant un flux d'azote très sec (qualité de laboratoire) et un flux d'air ambiant, respectivement. Un même échantillon a été soumis plusieurs fois à la séquence de cycles suivante : Partial hydration tests were carried out by consecutive drying and hydration cycles, using a very dry nitrogen flow (laboratory quality) and an ambient air flow, respectively. The same sample was subjected several times to the following sequence of cycles:
1) hydrations de 6h et déshydratation initiales, 1) 6h hydration and initial dehydration,
2) hydrations de 3h et déshydratation (3 tests), 2) 3 hour hydration and dehydration (3 tests),
3) hydrations de 1,5 h et déshydratation (4 tests), 4) hydrations de 45 mn et déshydratation (3 tests), 3) 1.5 h hydrations and dehydration (4 tests), 4) 45 min hydration and dehydration (3 tests),
5) hydrations de 6h et déshydratation finale. 5) 6 hour hydration and final dehydration.
La Figure 17 montre les mesures thermochimiques de flux de chaleur et de température pendant la lere et dernière phase d'hydratation de 6h. Une observation très importante montre qu'il y a un pic initial de flux de chaleur, en début d'hydratation. La valeur maximale du pic initial (Fig. 17A) est d'environ 23 mW. Il est lié une modification structurale activatrice du milieu réactif, qui est probablement en lien avec une réorganisation des crista Hites en cours d'hydratation et qui augmente la surface spécifique d'échanges. Il est aussi important à noter qu'une fois cette première activation réalisée, les valeurs du flux de chaleur en général sont plus importantes au cours des cycles suivants. Notamment, la hauteur du pic de début d'hydratation au cours des différents cycles suivants correspond à des valeurs allant de 29 à 39 mW. Cette hauteur en fin de séquence de cycles est d'environ 29 mW (Fig. 17B). Ce comportement thermochimique indique que la modification structurale initiale, activatrice du milieu réactif, est pérenne. Les résultats de l'ensemble des essais sont résumés dans la Figure 18. On voit que le maximum de flux de chaleur lors de l'hydratation est en moyenne de 29,3 mW.s Figure 17 shows the thermochemical measurements of heat flux and temperature during the 1st and last 6h hydration phase. A very important observation shows that there is an initial peak of heat flow, at the start of hydration. The maximum value of the initial peak (Fig. 17A) is about 23 mW. It is linked to an activating structural modification of the reactive medium, which is probably linked to a reorganization of the crista Hites during hydration and which increases the specific exchange surface. It is also important to note that once this first activation has been carried out, the values of the heat flux in general are greater during the following cycles. In particular, the height of the hydration start peak during the various following cycles corresponds to values ranging from 29 to 39 mW. This height at the end of the sequence of cycles is approximately 29 mW (FIG. 17B). This thermochemical behavior indicates that the initial structural modification, activating the reactive medium, is permanent. The results of all the tests are summarized in Figure 18. It can be seen that the maximum heat flux during hydration is on average 29.3 mW.s
En calculant pour chaque essai l'intégration des flux de chaleur au cours du temps, lors de l'hydratation et de la déshydratation, nous obtenons la quantité de chaleur libérée pendant le processus d'hydratation, ainsi que la quantité de chaleur stockée pendant le processus de déshydratation. By calculating for each test the integration of the heat flows over time, during hydration and dehydration, we obtain the quantity of heat released during the hydration process, as well as the quantity of heat stored during the dehydration process.
Les résultats sont montrés dans la figure 19, et permettent quelques observations : Les processus d'hydratation et de déshydratation au cours d'une même durée sont reproductibles et présentent un écart type relativement faible. The results are shown in figure 19, and allow some observations: The processes of hydration and dehydration during the same duration are reproducible and present a relatively low standard deviation.
La libération de chaleur pendant l'hydratation n'est pas un processus linéaire. Par exemple, la quantité libérée pendant 1,5 h n'est pas moitié de celle libérée pendant 3h. Il en va de même pour le processus de déshydratation. Après 11 cycles, la chaleur libérée pendant 6h d'hydratation (189.02 J) n'a pas diminué par rapport à celle de la première hydratation de 6h (152.82 J), ce qui prouve la grande performance et la stabilité du composite. Heat release during hydration is not a linear process. For example, the amount released for 1.5 hours is not half of that released for 3 hours. The same goes for the dehydration process. After 11 cycles, the heat released during 6 h of hydration (189.02 J) did not decrease compared to that of the first hydration of 6 h (152.82 J), which proves the high performance and stability of the composite.
Même avec la moitié du temps d'hydratation, la chaleur moyenne libérée pendant 3h (182.14 J) est toujours supérieure à celle de la première hydratation de 6h (152.82 J), ce qui indique que le composite a besoin d'une activation initiale pour atteindre son niveau de performance optimal. Even with half the hydration time, the average heat released for 3h (182.14 J) is still higher than that of the first 6h hydration (152.82 J), indicating that the composite needs initial activation to reach their optimum level of performance.
On peut en conclure qu'une heure et demi est insuffisante pour hydrater complètement le matériau réactif. En revanche, de 1,5 h à 3 h sont suffisantes pour la complétion de la réaction. Les fluctuations laissent cependant comprendre que le niveau d'hygrométrie peut aussi jouer sur la cinétique, mais pas de façon intuitive. En particulier, le plus fort taux de RH = 64 %, pour lequel on s'attend à la cinétique d'hydratation la plus importante, n'entraine pas le dégagement de la plus grande quantité d'énergie. En d'autres termes, une cinétique d'hydratation trop rapide peut inhiber la complétion du processus, peut-être du fait de modifications structurales locales, au niveau de l'arrangement des grappes de crista Hites d'hydrates sur les réticules de la mousse métallique. It can be concluded that one and a half hours is insufficient to completely hydrate the reactive material. On the other hand, 1.5 h to 3 h are sufficient for the completion of the reaction. The fluctuations, however, let us understand that the level of hygrometry can also affect the kinetics, but not in an intuitive way. In particular, the highest RH level = 64%, for which the highest hydration kinetics are expected, does not lead to the release of the greatest amount of energy. In other words, too fast hydration kinetics can inhibit the completion of the process, perhaps due to local structural modifications, at the level of the arrangement of the clusters of crista Hites of hydrates on the reticles of the foam. metallic.
Des essais comparatifs ont aussi été faits avec du matériau réactif CaCI2 monolithique, c'est-à-dire sans la structure de la mousse métallique. Dans ce cas, on utilise de la poudre de CaCI2 seule, en quantité identique à celle contenue dans le composite. Le protocole de la séquence d'essais cycliques d'hydratation et de déshydratation est strictement le même que précédemment montré pour le composite. Comparative tests were also carried out with monolithic reactive CaCl2 material, that is to say without the structure of the metallic foam. In this case, CaCl2 powder alone is used, in an identical quantity to that contained in the composite. The protocol for the sequence of cyclic hydration and dehydration tests is strictly the same as previously shown for the composite.
Les résultats préliminaires sont montrés dans la Figure 20. On voit qu'après une activation initiale (hydratation de 6 h) comparable à celle du composite, les performances de la poudre monolithique baissent rapidement au cours de la séquence de cycles, avec un maximum de flux de chaleur qui baisse progressivement de 26 à 19, puis à 15 mW. À l'exception du premier cycle, l'hydratation et la déshydratation du composite libèrent/stockent plus de chaleur que la poudre de sel monolithique, pour le même laps de temps. The preliminary results are shown in Figure 20. It is seen that after an initial activation (6 h hydration) comparable to that of the composite, the performance of the monolithic powder drops rapidly during the sequence of cycles, with a maximum of heat flux which gradually decreases from 26 to 19, then to 15 mW. With the exception of the first cycle, hydration and dehydration of the composite releases/stores more heat than monolithic salt powder, for the same amount of time.
La chaleur moyenne libérée pendant 3h d'hydratation pour le composite est de 182 J, alors que pour le sel, la valeur est de 143 J, ce qui signifie que pour 3h d'hydratation, le composite est environ 30 % plus performant. The average heat released during 3 hours of hydration for the composite is 182 J, while for salt the value is 143 J, which means that for 3 hours of hydration, the composite is about 30% more efficient.
La chaleur moyenne stockée pendant 3h de déshydratation pour le composite est de 145 J, alors que pour le sel, la valeur est de 105 J, ce qui signifie que pour 3h de déshydratation, le composite a augmenté la chaleur stockée de 38%. La chaleur moyenne libérée pendant l,5h d'hydratation pour le composite est de 147 J, alors que pour le sel, la valeur est de 75 J, ce qui signifie que pour l,5h d'hydratation, le composite est plus performant d'environ 97 %. The average heat stored during 3h of dehydration for the composite is 145 J, while for salt the value is 105 J, which means that for 3h of dehydration, the composite increased the stored heat by 38%. The average heat released during 1.5h of hydration for the composite is 147 J, while for salt the value is 75 J, which means that for 1.5h of hydration, the composite performs better d about 97%.
La chaleur moyenne stockée pendant l,5h de déshydratation pour le composite est de 106 J, alors que pour le sel, la valeur est de 54 J, ce qui signifie que pour l,5h de déshydratation, le composite a augmenté la chaleur stockée de 97%. The average heat stored during 1.5h of dehydration for the composite is 106 J, while for salt the value is 54 J, which means that for 1.5h of dehydration the composite increased the stored heat by 97%.
Le tableau de la figure 21 résume les performances du composite par rapport au sel en poudre. The table in Figure 21 summarizes the performance of the composite compared to powdered salt.
En conclusion, pour un même protocole d'hydratation et de déshydratation et avec la même quantité de matériau réactif (CaCI2) le composite « mousse métallique - hydrates de CaCI2 » montre toujours 1) un maximum de flux de chaleur considérablement supérieur à celui de la poudre monolithique de CaCI2 (aussi bien lors de l'hydratation que de la déshydratation), 2) une quantité d'énergie libérée (hydratation) ou stockée (déshydratation) supérieure à celle de la poudre monolithique de CaCI2. In conclusion, for the same hydration and dehydration protocol and with the same quantity of reactive material (CaCl2) the "metal foam - hydrates of CaCl2" composite always shows 1) a maximum heat flux considerably higher than that of the monolithic CaCl2 powder (both during hydration and dehydration), 2) a quantity of energy released (hydration) or stored (dehydration) greater than that of the monolithic CaCl2 powder.
De plus, le composite montre une grande stabilité d'opérabilité, et ce pendant une douzaine de cycles réalisés pendant un mois. Son « activation » initiale est réalisée dès le premier cycle de 6 h. Par la suite les performances du composite se stabilisent à des valeurs supérieures à celles du premier cycle. Après activation, le composite montre des performances supérieures à celles de la poudre de sel. La cinétique de charge et décharge d'énergie thermochimique est également améliorée dans le composite, qui emmagasine plus vite une même quantité d'énergie. In addition, the composite shows a great stability of operability, and this during a dozen cycles carried out over a month. Its initial “activation” is carried out from the first 6-hour cycle. Subsequently, the performance of the composite stabilizes at values higher than those of the first cycle. After activation, the composite shows superior performance compared to salt powder. The thermochemical energy charge and discharge kinetics are also improved in the composite, which stores the same amount of energy more quickly.
3. 3.
Essais de comportement en corrosion Corrosion behavior tests
Des essais d'hydratation / déshydratation ont montré une forte propension à l'oxydation des mousses de Cu (formation de vert de gris). En revanche les mousses de Al et de Ni restent intactes pour des essais standards de laboratoire de quelques heures à quelques jours (observation optique). Hydration/dehydration tests showed a strong propensity for oxidation of Cu foams (formation of verdigris). On the other hand, the Al and Ni foams remain intact for standard laboratory tests from a few hours to a few days (optical observation).
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits. Of course, the invention is not limited to the examples which have just been described.
En particulier, la mousse peut présenter une forme différente et/ou être réalisée en un autre métal, tel que le nickel ou le cuivre ou un alliage. In particular, the foam may have a different shape and/or be made of another metal, such as nickel or copper or an alloy.
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