Etude du système MgSO₄-H₂O pour le stockage de l’énergie thermique par un composite à sorption

Larysa Okhrimenko (1) , Loïc Favergeon (1) , Kevyn Johannes (2) , Frederic Kuznik (2) , Michèle Pijolat (1)

1 SPIN-ENSMSE - Centre Sciences des Processus Industriels et Naturels
2 CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon

Le stockage de chaleur par composite thermochimique permet d’envisager une gestion rationnelle des énergies, renouvelables ou non, se traduisant par une diminution de la facture énergétique des foyers. Les enjeux liés au sujet sont donc à la fois sociétaux et environnementaux. Les systèmes de stockage de chaleur par sorption sont des technologies prometteuses du point de vue des perspectives qu’elles ouvrent. En effet, ces systèmes permettent par exemple de valoriser l’excès d’énergie solaire obtenu pendant l’été et la journée pour réaliser un stockage de chaleur de longue durée, de sorte à pouvoir utiliser cet excès pendant les périodes de chauffage. Ce procédé permet d’obtenir une densité énergétique théorique potentiellement élevée (entre 300 et 600 kWh par m³ de solide réactif) et de s’affranchir des pertes thermiques dans le temps. L’utilisation de composites issu de l’alliance entre un matériau de sorption et un sel hygroscopique apparaît comme une solution intéressante pour le stockage de la chaleur. Le composite zéolite/MgSO₄ montre une bonne cyclabilité ainsi qu’une puissance suffisante pour alimenter un bâtiment à basse consommation. Néanmoins le développement d’un tel système reste un défi technologique, le frein principal étant la compréhension incomplète des phénomènes physico-chimiques mis en jeu. Un des objectifs de ce travail est donc l’étude des réactions d’hydratation/déshydratation sur le sel hygroscopique MgSO₄ à l’échelle microscopique. Cette étude sera préalable au couplage sorption/transferts à l’échelle du composite, qui nécessitera également la compréhension des mécanismes de transfert de chaleur et de masse. Dans cette optique, une étude de la thermodynamique et de la cinétique du système MgSO₄/H₂O est réalisée au travers d’expériences de thermogravimétrie et de caractérisations physico-chimiques des solides. Les résultats obtenus, montrent que la teneur en eau dans le sulfate de magnésium est une fonction de la température pour une pression de vapeur d’eau constante. Et à température constante, la teneur en eau varie avec la pression de vapeur d’eau. Le système d’équilibre est donc divariant et certaines formes hydratées du sulfate de magnésium apparaissent comme des solutions solides d’insertion d’eau dans le sulfate. Un modèle thermodynamique a été écrit selon ces hypothèses et appliqué aux résultats expérimentaux. De même, un modèle cinétique a permis de rendre compte des données expérimentales et de décrire les lois de variation de paramètres avec la température et la pression partielle de vapeur d’eau.

Mots clés: thermogravimétrie; thermodynamique; cinétique

Domaines: Génie des procédés

Larysa Okhrimenko, Loïc Favergeon, Kevyn Johannes, Frederic Kuznik, Michèle Pijolat. Etude du système MgSO₄-H₂O pour le stockage de l’énergie thermique par un composite à sorption. Journées de Calorimétrie et d'Analyse Thermique 2016, JCAT47, Université de Pau et des Pays de l'ADOUR AFCAT (UPPA); Association Française de Calorimétrie et d'Analyse Thermique (AFCAT); membres du Laboratoire des Fluides Complexes et Reservoirs (LFCR); membres du Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés (LaTEP), May 2016, Anglet, France. ⟨hal-01323900⟩