Les mémoires à changement de phase électroniques (PCRAM) sont l'un des candidats les plus prometteurs pour la prochaine génération de mémoires non-volatiles. Cette technologie présente cependant deux inconvénients majeurs : un temps de rétention de l'information court pour des températures de fonctionnement élevées et une consommation électrique trop importante. Le premier objectif de ce travail a été de développer de nouveaux matériaux à changement de phase par PVD pour remplacer le traditionnel Ge2Sb2Te5, inadapté pour des applications embarquées. Le second objectif a été d'élaborer le matériau sélectionné par MOCVD assisté plasma afin d'évaluer la faisabilité de dispositifs confinés nécessitant des courants de fonctionnement faibles. L'étude du matériau binaire GeTe a montré des performances supérieures à celles de Ge2Sb2Te5 avec notamment une estimation du temps de rétention de l'information de dix ans à 110°C. L'impact de l'incorporation d'éléments dopants N ou C dans GeTe a été évalué en prévision du développement MOCVD. Il a été démontré une nette augmentation de la stabilité thermique des matériaux dopés, que nous expliquons par la formation d'une phase amorphe de type nitrure ou carbure lors de la cristallisation. L'utilisation d'un système de dépôt MOCVD par injection pulsée avec assistance plasma a permis de réaliser des couches minces conformes de GeTe à l'état cristallin ou amorphe, présentant des propriétés de transition de phase similaires à celles de GeTe de référence élaboré par PVD.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d'études théoriques ayant pour but l’établissement de la structure des chalcogénures binaires et ternaires sous différentes conditions thermodynamiques. Des techniques de modélisation numérique ab-initio ont été employées. En particulier, nous avons utilisé la dynamique moléculaire par premiers principes selon l’approche de Car et Parrinello ainsi que sa version dite "deuxième génération". La première partie est consacrée à l’étude des chalcogénures binaires, notamment les verres GeSe2 et GeSe4 sous pression ainsi qu'à l’étude des effets des forces de van der Waals et des fonctionnelles d’échange et corrélation DFT sur la structure de l’amorphe GeTe4. Dans la deuxième partie, l’intérêt a été porté à l’étude d'un matériau à changement de phase récemment proposé par les expérimentateurs comme un bon candidat pour le stockage de données, le ternaire Ga4Sb6Te3. / This thesis reflects efforts toward an accurate understanding of the atomic scale structure of chalcogenide glasses. These compounds have an impact on electronics, optoelectronics and memory devices. I resorted to the most advanced first-principles molecular dynamics simulations such as the standard Car-Parrinello method as well as its second generation version. In the first part of this thesis we provide a detailed study of the topological changes undergone under pressure by glassy GeSe2 and by glassy GeSe4. Structural transition and bonding features are described and compared to the results of neutron and X-ray diffraction experiments. Furthermore, in the case of glassy GeTe4 we demonstrated that the inclusion of van der Waals forces leads to substantial improvements in the description of the structure. In the second part of this thesis, we established the atomic-scale organization of a promising candidate for phase change memory applications, glassy Ge4Sb6Te3.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019. / Les Matériaux à Changement de Phase (MCP), par stockage de chaleur latente, peuvent améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments. En saison froide, ils peuvent emmagasiner de la chaleur durant le jour pour qu’elle soit relâchée durant la nuit, réduisant le besoin en chauffage. En saison chaude, ils peuvent permettre, moyennant une ventilation nocturne adaptée, de réduire la surchauffe des bâtiments. Afin d’optimiser le bénéfice énergétique, l’intégration de MCP doit être minutieusement réfléchie. Ce travail de thèse présente trois grands axes dédiés à l’étude de matériaux hybrides bois/MCP. Le premier axe traite de la mise en forme et de la caractérisation de panneaux décoratifs intérieurs de haute inertie thermique. Le second axe a pour objectif d’évaluer la performance de ces panneaux à l’aide de deux maisonnettes expérimentales instrumentées et placées sur le campus de l’Université LAVAL. Le troisième axe étudie l’imprégnation de la couche de surface d’une Lame de Plancher d’Ingénierie (LPI) avec des microcapsules de MCP. Dans le premier axe, des panneaux intérieurs décoratifs ont été mis en oeuvre. Ils sont constitués de MDF (Medium Density Fiberboard), HDF (High Density Fiberboard) et de différents MCP biosourcés. Les MCP ont été macroencapsulés dans des sachets de polyéthylène avant d’être placés dans les panneaux. Leur stockage de chaleur latente a été mesuré avec un débitmètre thermique selon la méthode Dynamic Heat Flux Meter Apparatus (DHFMA). Les panneaux stockent une chaleur latente maximale de 57.1 J/g, ce qui est comparable à des solutions existantes de panneaux embarquant des MCP. Leur comportement thermique a été comparé au comportement des MCP purs testés par DSC (Differential Scanning Calorimetry) et des différences significatives ont été observées. Le comportement hygromécanique des panneaux a été évalué et s’est révélé être une question d’importance en vue d’une d’industrialisation. Dans le deuxième axe, deux maisonnettes expérimentales en ossature légère de bois ont été conçues puis placées sur le campus de l’Université LAVAL. Une maisonnette a été équipée de panneaux en bois standards tandis que l’autre contenait les panneaux bois/MCP. Grâce à l’instrumentation embarquée, la performance insitu des panneaux formulés dans le premier axe a pu être étudiée. Les résultats montrent, en saison de chauffe, une réduction de la consommation en chauffage pour la maisonnette équipée de MCP. Cette réduction atteint un maximum de 41 % pour le mois de mai. Pour le confort d’été, les panneaux permettent généralement d’améliorer le confort thermique, en réduisant la surchauffe. Leur efficacité a cependant été révélée limitée par la solidification limitée du MCP pendant la nuit. Malgré une ventilation importante, lors des nuits les plus chaudes, le matériau n’était pas en mesure de se solidifier. Dans le troisième axe, des couches de surface de Lames de Planchers d’Ingénierie (LPI) ont été imprégnés avec des microcapsules de MCP biosourcés. De l’eau distillée a été utilisée comme solvant. Deux essences de bois ont été choisies : le chêne rouge et l’érable à sucre. Le gain de masse thermique s’est révélé significatif pour le chêne rouge mais négligeable pour l’érable à sucre. Pour le chêne rouge, un bénéfice de masse thermique de 77% a été mesuré. Les microcapsules ont été observées dans le bois par microscopie réflective. Elles se sont révélées être principalement présentes, formant des amas, dans les larges vaisseaux du bois initial pour le chêne rouge. Des microcapsules étaient également présentes dans les vaisseaux de l’érable à sucre, en plus petite quantité. Des tests d’adhésion ont été menés sur des lames de planchers vernis et ces tests n’ont révélé aucune influence significative de l’imprégnation sur la tenue d’un vernis. / Phase Change Materials (PCMs) are able to store a high amount of latent heat, which can improve buildings energy efficiency. During the heating season, solar energy can be stored during the day to be released at night, reducing the heating needs. During summer, daily maximum peak temperature can be reduced. In order to maximize the energy benefits, PCMs have to be implemented carefully. This thesis presents three major axes of research about wood/PCMs hybrid materials. The first axis is about manufacturing and characterizing woodbased decorative panels of high thermal mass. The second axis aims to evaluate the performance of such panels with two instrumented wood-frame test huts placed on LAVAL University Campus. The third axis is about impregnating the lamella of Engineering Wood Flooring (EWF) with PCM microcapsules. For the first axis, interior wood-based decorative panels containing PCMs were manufactured. Medium Density Fiberboard (MDF), was used as the main component and High Density Fiberboard (HDF) was used for the inner side of the panel. Several bio-based PCMs were chosen to load the panels. A macroencapsulation of the PCMs was achieved using polyethylene bags. The latent heat storage of the panels was assessed with a thermal flow meter using a Dynamic Heat Flux Meter Apparatus (DHFMA) method. A maximum latent heat storage of 57.1 J/g has been measured, which is comparable to existing panels containing PCMs. Thermal behavior of pure PCMs has been assessed by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and then compared to the panels behavior. Significant differences have been revealed. Hygromechanical behavior of the panels has been evaluated, compared to a reference, and has been revealed of importance in case of industrialization. For the second axis, two experimental timber-frame test-huts have been implemented and were placed on the LAVAL University campus. One hut was equipped with standard wood panels whereas the other one was equipped with wood-based panels containing PCMs such as manufactured in the first axis. The in-situ performance of the panels was assessed over several seasons. In winter, the panels induced a reduction of the heating consumption. This reduction reached a maximum of 41% in May. During summer, the panels are generally able to reduce the daily peak temperature. However, their performance was found limited by the solidification of the PCM, which was hard to achieve during hottest nights. For the third axis, lamellas of Engineered Wood Flooring (EWF) have been impregnated with bio-based PCM microcapsules, using water as a solvent. Two wood species were chosen: red oak and sugar. A significant thermal mass enhancement of 77% was measured for the red oak. Impregnation of sugar maple was found harder to achieve and thus its thermal mass enhancement was lower. Reflective microscopy allowed to observe the microcapsules filling red oak initial wood big vessels, forming aggregates. Some microcapsules were also observed in the sugar maple vessels but in lower quantity. Red oak was varnished with a 100 % UV solid wood coating and submitted to pull-off adhesion tests. These tests did not reveal any significant effect of an impregnation on the varnish adherence.

Avec le développement des énergies intermittentes et la raréfaction des énergies fossiles, le sujet du stockage de l’énergie prend de plus en plus d’ampleur. Une des voies étudiée est le stockage thermique par utilisation de matériaux à changement de phase (MCP). Cette voie est en outre développée pour améliorer l’inertie thermique dans le secteur du bâtiment. Pour utiliser au mieux ces matériaux il est nécessaire de pouvoir prévoir leur comportement énergétique. Cela nécessite une connaissance précise des propriétés thermophysiques, et en premier lieu de la fonction enthalpie massique . Actuellement, il est souvent proposé d'approximer cette enthalpie par l'intégration directe des thermogrammes de la calorimétrie utilisant notamment la notion de capacité calorifique "équivalente". Cette approche est cependant fausse car le thermogramme n’est qu'une représentation en fonction du temps de phénomènes complexes faisant intervenir non seulement les propriétés énergétique du matériaux mais également les transferts thermiques au sein de la cellule du calorimètre. Il en résulte, par exemple, que la forme des thermogrammes, et donc l’enthalpie apparente, dépend de la vitesse de réchauffement et de la masse de l'échantillon ce qui n'est pas le cas de l'enthalpie des MCP qui ne dépend, à pression fixe, que de la température ou de la concentration (pour les solutions). On propose de comparer la sortie d’un modèle numérique direct avec des thermogrammes expérimentaux. L’objectif principal de cette thèse est alors d’utiliser ce modèle dans le cadre d’une méthode inverse permettant l’identification des paramètres de l’équation d’état permettant alors de calculer l’enthapie massique . Dans un premier temps, il est donc présenté le détail d'un modèle 2D dit enthalpique qui néglige la convection, validé par l'expérience, permettant de reconstituer les thermogrammes de corps purs ou de solutions binaires dont les enthalpies sont connues. Il en est déduit une étude de l'influence des différents paramètres ( , , , ...) sur la forme des thermogrammes pour en déduire leurs sensibilités. Une réduction de ce modèle est ensuite effectuée pour réduire le temps de calcul du modèle direct en vue de l’utilisation dans une méthode inverse. Cette dernière est décrite ainsi que les algorithmes d’optimisation correspondants (de Levenberg-Marquardt, génétique ou du simplexe qui s'est avéré le plus rapide) dans un second temps. Nous appliquerons ensuite cet algorithme pour identifier, à partir d'expériences, la fonction enthalpie de corps purs ou de solutions binaires. Les résultats obtenus montrent qu’il est possible d’identifier une fonction independante de la vitesse de réchauffement et de la masse, ce qui valide la méthode. Une analyse des différentes sources d’erreurs dans le processus d’identification et leurs influences sur le résultat permet d’évaluer la qualité de la fonction enthalpie que l’on identifie. Enfin, cette même approche a été utilisée pour analyser une expérience réalisée sur un échantillon d’un matériau composite utilisé dans le bâtiment (ciment avec inclusion de MCP micro-encapsulé). Dans ce cas encore, nos méthodes permettent une caractérisation énergétique pertinente. / With the development of intermittent sources of energy and the depletion of fossil fuels, the subject of energy storage is becoming an important topic. One of the studied options is tthe latent hermal storage using of phase change materials (PCM). One application for this type of energy storage is to improve the thermal insulation in buildings. To make the best use of these materials it is necessary to be able to predict their energy behavior. This requires a precise knowledge of their thermophysical properties, first of all of the specific enthalpy function of the material . Currently, it is often suggested to approximate the enthalpy by the direct integration of the thermograms obtained through calorimetry experiments (notion of "equivalent" calorific capacity). This approach is false because thermograms are only a time related representation of complex phenomena where thermal transfers arise in the cell of the calorimeter acting with the thermophysical properties. As a result, for example, the shape of thermograms depends on the heating rate and on the mass of the sample, which is not the case for the enthalpy of the PCM, which depends, at constant pressure, only on the temperature or on the concentration (for the solutions). We propose to compare the results given by a of a numerical direct model with experimental thermograms. The main objective in this thesis is then to use this direct model in an inverse method in order to identify the parameters of the equation of state, which enables us to calculate the specific enthalpy . First of all, the detail of an enthalpy model is presented, and then validated by comparison with experiments, allowing us to reconstruct the thermograms of pure substances or of salt solutions, of which the enthalpies are known. A study of the influence of the various parameters ( , , , .,..) on the shape of thermograms is also undertaken in order to deduce their sensibilities. A reduced model is then developed in order to reduce the calculating time of the direct model. This optimized model allows the use of inverse methods with acceptable durations. Several inverses algorithms are then presented: Levenberg-Marquardt, evolutionary and Simplex which has proved to be the fastest). We shall then apply this algorithm to identify, from calorimetric experiments, the enthalpy function of pure substances or of salt solutions. The results that we obtain show that it is possible to identify a function independent of the heating rate and of the mass, which validates the method. An analysis of the various sources of errors in the identification process and of their influences on the result allows us to estimate the quality of the enthalpy function that we identify.

L'objectif de nos travaux de thèse est de concevoir, dimensionner et fabriquer un système actif à matériaux à changement de phase (MCP) pour le rafraîchissement et réchauffement de la maison Napévomo en région Aquitaine, ce dernier participant au concours Solar Décathlon (SDE2010). L'approche proposé a pour but de fournir au lecteur suffisamment de connaissant en stockage thermique à base de MCP pour entreprendre la conception d'un système de rafraîchissement et de réchauffement d'un bâtiment passif. La démarche utilisée consisté dans un premier temps à faire l'état de l'art des systèmes de stockage thermique à base de MCP et à établir un cahier des Charges du système à concevoir. Ces données ont amèné à proposer un modèle de calcul stationnaire basé sur une approche NUT-ε moyennant la caractérisation préalable des MCP pour dimensionner et concevoir le système. Le dimensionnement étant validé en fonction des pertes de charge et le COP (coefficient de performance). Le système est fabriqué à l'échelle 1. Il est composé de quatre échangeurs Air-MCP. Chaque échangeur renferme un amas contenant de MCP. Ils sont disposés en quinconces sur des colonnes de petits tubes. Un ensemble de dispositifs expérimentaux améliorent la conductivité des MCP ainsi que l'échange thermique entre le système et son environnement. Les essais réalisés sur l'un des échangeurs montrent des résultats encourageants. Ce dernier rafraîchit l'air en 7-8 heures et il permet de régénérer les MCP en 6 heures en moyenne. Lors du concours Solar Décathlon (SDE2010), le système installé dans la maison Napévomo a montré sa capacité à assurer le rafraîchissement de l'air ambiant durant les 6 jours de la démonstraction.

La technique de réfrigération secondaire vise à limiter la masse de fluide frigorigène utilisée dans les installations frigorifiques. Dans ce procédé, le froid produit par une machine conventionnelle est transporté par un fluide frigoporteur inoffensif pour l'homme et l'environnement circulant dans un circuit secondaire. Les fluides frigoporteurs diphasiques (FFD) liquide-solide, ou coulis, sont constitués de particules solides d'un matériau à changement de phase (MCP) en suspension dans une phase liquide. L'avantage d'un FFD est d'améliorer l'efficacité énergétique du procédé en exploitant la chaleur latente de changement de phase du MCP. Cette étude concerne un procédé de réfrigération secondaire reposant sur l'emploi de coulis d'hydrates de gaz comme FFD. Une famille particulière d'hydrates, les semi-clathrates, qui se forment à partir d'eau et de gaz en présence de sels d'ammoniums ou de phosphoniums quaternaires, a été étudiée dans ce travail. Nous présentons dans un premier temps une étude du comportement de phases et des enthalpies de changement de phase réalisée par analyse calorimétrique différentielle sous pression contrôlée dans les systèmes eau - CO2 en présence de différents additifs : le chlorure de tri-n-butylméthylammonium, le chlorure de tétra-n-butylammonium, le nitrate de tétra-n-butylammonium et le bromure de tétra-n-butylphosphonium (TBPB). L'hydrate mixte TBPB-CO2 a été identifié comme MCP potentiel en raison de sa température et de son enthalpie de changement de phase bien adaptées. Dans un second temps, une étude des conditions d'écoulement du coulis d'hydrates de TBPB avec et sans CO2 a été réalisée au moyen d'un dispositif expérimental capable de mesurer le débit et les pertes de charge. Après une étude phénoménologique et rhéologique des conditions de formation et d'écoulement des coulis d'hydrates de TBPB, les premiers résultats de la caractérisation rhéologique d'un coulis d'hydrates mixtes de TBPB-CO2 complètent ce travail.

Les recherches dans le domaine des matériaux innovants possédant une meilleure efficacité énergétique présentent un enjeu environnemental majeur. L'un des moyens d'économiser l'énergie est le stockage. L'utilisation des matériaux à changement de phase est une solution permettant d'absorber, de stocker et de restituer de grandes quantités d'énergie. Ce travail porte sur l'étude expérimentale des propriétés thermophysiques et des changements de phase de matériaux composites à matrice polymère contenant un matériau à changement de phase microencapsulé et sur l'optimisation de ces propriétés. Des composites contenants différentes fractions massiques de microcapsules de paraffine ont d'abord été caractérisés. Afin d'améliorer le transfert thermique des microcapsules de paraffine métallisées avec de l'argent ont ensuite été utilisées. Une nouvelle série d'échantillons a été réalisée. Dans les composites la matrice polymère choisie est le polycaprolactone (PCL), ce polymère a une température de fusion particulièrement faible (53°C), qui permet de le mélanger aux microcapsules sans les détériorer. Les mélanges polymère/microcapsules ont été réalisés à l'aide d'un mélangeur interne, ils ont ensuite été pressés pour obtenir des plaques de composites. L'homogénéité des échantillons a été vérifiée en faisant des observations au microscope électronique à balayage et des mesures de densité. Le matériau à changement de phase utilisé est un mélange de paraffines qui a une température de changement de phase de 26°C, microencapsulé dans du PMMA hautement réticulé, et commercialisé par la société BASF® sous la dénomination commerciale de Micronal® DS 5001 X. Le PCL a une température de fusion inférieure à la température de ramollissement du PMMA. Un des objectifs de cette étude était d'obtenir un matériau qui reste solide même quand la paraffine fond. La microencapsulation a permis cela en évitant que la paraffine ne diffuse hors de l'échantillon lors de cycles successifs, elle permet également d'éviter les phénomènes de convection quand la paraffine est liquide. D'autre part, un autre objectif était de voir si la métallisation des particules permettait d'améliorer les propriétés thermiques en augmentant significativement la conductivité et la diffusivité thermique. La DSC a été utilisée pour connaître les températures et les enthalpies de changements de phase ainsi que les Cp des matériaux entre -20 et 40 °C. Une technique expérimentale développée au laboratoire (DICO) permet de mesurer simultanément la conductivité thermique (λ) et la diffusivité thermique (a) à température ambiante. Une évolution récente de ce dispositif permet maintenant de faire des mesures en rampe en température entre -15°C et 180°C. Les mesures de l'évolution de la conductivité et de la diffusivité thermique en fonction de la température ont donc été réalisées en chauffe et en refroidissement. Les changements de phase observés en DSC se retrouvent sur l'évolution de la conductivité et de la diffusivité thermiques tracées en fonction de la température. On voit également l'impact de l'état solide ou liquide de la paraffine contenue dans les microcapsules sur ces propriétés. Enfin l'évolution de la capacité calorifique volumique a pu être calculée à partir des résultats obtenus avec la DICO (Cp=λ/a) et comparée à l'évolution de la capacité calorifique massique mesurée en DSC. Globalement le transfert thermique a été amélioré pour les composites contenant des Micronal® argentés mais leur capacité de stockage est inférieure aux composites ne contenant que des Micronal® / Research in the field of innovative materials with improved energy efficiency have a major environmental issue. One way to save energy is storage. The use of phase change materials (PCM) is a solution for absorbing, storing and releasing large amounts of energy. This study focuses on the experimental study of the thermophysical properties and phase changes of polymer matrix composite materials containing microencapsulated PCM and the optimization of their thermophysical properties. Composite containing different mass fractions of paraffin microcapsules were first characterized. To improve heat transfer, paraffin microcapsules metallized with silver were then used. A new set of samples was elaborated. In the composite the selected polymer matrix is polycaprolactone (PCL), this polymer has a particularly low melting point (53°C), which allows to mix the microcapsules without damaging them. The polymer/microcapsules mixtures were prepared using a blender, they were then pressed to obtain plates of composites. The homogeneity of the samples was verified by scanning electron microscopy observations and density measurements. The phase change material used is a mixture of paraffins having a phase change temperature of 26°C, in microencapsulated highly crosslinked PMMA, and marketed by BASF under the trade name of Micronal®DS 5001 X. PCL has a melting temperature lower than the softening temperature of PMMA. One objective of this study was to obtain a material that remains solid even when the paraffin melts. Microencapsulation has avoided that the paraffin in the sample diffuses out during successive cycles, it also avoids convection when paraffin is liquid. On the other hand, another goal was to see if metallization of the particles allowed to improve the thermal properties by significantly increasing the thermal conductivity and diffusivity. DSC was used to determine the temperatures and enthalpies of the phase changes and the materials Cp between -20 and 40 ° C. An experimental technique, developed in the laboratory (DICO), can simultaneously measure the thermal conductivity (λ) and thermal diffusivity (a) at room temperature. A recent development of this system now allows to make measurements in ramp between -15°C and 180°C. The measures of the change in thermal conductivity and diffusivity as a function of temperature have been carried out by heating and cooling. Phase changes observed in DSC are found on the evolution of thermal conductivity and thermal diffusivity plotted as a function temperature. It also shows the impact on these properties of solid or liquid state of the paraffin contained in the microcapsules. Finally the evolution of the volumetric heat capacity was calculated from the results obtained with DICO (Cp=λ/a) and compared with the evolution of the specific heat capacity measured by DSC. Globally, heat transfer was improved for composites containing silver but their storage capacity is lower than for the composites containing only Micronal®

L'intégration d'un accumulateur de chaleur dans les systèmes de refroidissement d'un véhicule permet d'optimiser la gestion thermique du groupe motopropulseur et ainsi de réduire la consommation et les émissions polluantes du véhicule. L'intérêt d'un tel accumulateur réside dans sa capacité à stocker / déstocker de l'énergie dans des matériaux à changement de phase (PCM) avec des puissances échangées en adéquation avec les besoins de l'automobile. La problématique scientifique concerne l'intensification, dans un volume restreint, des transferts thermiques dans le matériau de stockage. Le recours à des échangeurs compacts et l'optimisation de la géométrie des ailettes du côté du PCM permettent d'une part de maximiser la puissance échangée grâce à l'augmentation de la surface d'échange avec le PCM et d'autre part d'optimiser la capacité énergétique en améliorant le taux de remplissage en PCM. Le problème est abordé ici de deux façons : théorique, par le développement d'un modèle numérique d'optimisation, puis expérimentale, par la mise au point d'un banc d'essai et de prototypes. Le modèle numérique, validé à partir d'essais, a servi à optimiser la conception de l'accumulateur de chaleur. Enfin, l'intégration de ce composant dans un module de refroidissement pour améliorer la montée en température du groupe motopropulseur a montré des gains significatifs sur le temps de fonctionnement à froid du moteur, réduisant ainsi les émissions polluantes. / Integration of heat accumulator within engine cooling systems allows to optimize powertrain thermal management and to reduce vehicles consumption and pollutant emissions. Interest of such accumulators lies in their capacity to store and release energy within phase change materials (PCM) with powers in accordance with the automotive needs. Scientific problem concerns heat transfer enhancement, for a limited volume, in a phase change material. The use of compact heat exchangers filled with PCM and the optimization of fin design allow to maximize heat transfer thanks to extended heat transfer area with PCM. On the other hand, energy storage capacity is optimized by increasing PCM volume ratio. The problem is approached by two ways: theoretically, by the development of a numerical model of optimization, and experimentally, by the development of a test bench and several prototypes. The numerical model of heat accumulator, validated with test results, was used to run a parametric study to optimize the conception of the heat accumulator, in particular the fin design. Finally, integration of this new component within the cooling system in order to improve the warm-up of the powertrain has shown significant gains on the functioning time of engine during cold start, leading to reduced pollutant emissions.

Cette thèse a été effectuée dans le cadre des projets DISTOR (Européen) et HTPSTOCK (Français) qui visent à concevoir et étudier de nouveaux composites graphite/sel destinés au stockage de l'énergie thermique à haute température (>200°C). Elle est scindée en deux parties distinctes. <br />La première partie détaille les travaux relatifs à l'élaboration et la caractérisation thermique de ces nouveaux composites. On y présente les différentes voies d'élaboration des composites (dispersion, compression uniaxiale, isostatique) associées aux différents types de graphite (graphite naturel expansé (GNE), graphite synthétique) investigués au cours de cette thèse. On y retrouve également les résultats liés à la campagne de caractérisation thermique de ces composites permettant de mettre en exergue l'impact du graphite sur les propriétés conductrices des matériaux étudiés. A partir de ces résultats, des études de modélisation de l'évolution de la conductivité thermique ont pu être entrepris afin d'approfondir la compréhension de l'effet du graphite (quantité, taille de particules) sur la conductivité effective des composites.<br />La deuxième partie présente essentiellement les dispositifs de caractérisation thermique et les modèles thermocinétiques associés qui ont du être développés et adaptés aux spécificités des matériaux nouvellement élaborés. Cela concerne principalement les matériaux élaborés par compression, matériaux difficilement reproductible et possédant des propriétés orthotropes. La caractérisation de ce type de matériaux s'avère très délicate et pour le moins fastidieuse. C'est pourquoi nous nous sommes attachés à développer et adapter les moyens de caractérisation existants afin de permettre la caractérisation thermique complète d'un matériau conducteur orthotrope à partir d'une seule mesure sur un seul échantillon

Les conditions actuelles de réchauffement de la planète ont mené aux pays du monde à s'engager dans la durabilité et l’efficacité énergétique et la réduction des émissions de gaz à effet de serre. En tant que troisième consommateur d'énergie, le bâtiment représente un élément clé envers l'efficacité énergétique et de la stabilisation de la température globale. Plusieurs solutions existent pour la réalisation de ces objectifs, et les travaux présentés tout au long de cette thèse concernent un composant solaire particulier à la construction externe du bâtiment, appelé cheminée solaire. Cette thèse de doctorat porte sur l'analyse expérimentale et numérique des dispositifs de stockage d'énergie, sous forme de matériaux à changement de phase (PCM), afin d'optimiser les performances de cette technologie solaire. Le but de cette étude est de caractériser l’impact des panneaux Rubitherm RT44 PCM sur une cheminée solaire en laboratoire et in situ afin de permettre une comparaison avec la version classique. De plus, un modèle numérique a été développé et testé dans le but d'obtenir un outil numérique capable de représenter le comportement d'une cheminée solaire. Enfin, une optimisation à deux objectifs du modèle numérique de cheminée solaire intégrée PCM a été réalisée afin de déterminer certains des paramètres optimaux de ce type de technologie afin d’obtenir le flux d’air sortant le plus élevé possible, tout en maintenant une température suffisamment élevée dans la cheminée atteindre la gamme de fusion des PCM. / The current global warming conditions have led nations across the world to commit into energetic sustainability and greenhouse gas emission reduction. Being the third greatest energetic consumer, the building represents a major key towards energy efficiency and global temperature stabilization. Several solutions exist for the accomplishment of these goals, and the works presented throughout this dissertation concerns a particular external building solar-driven component known as solar chimney. This PhD thesis focuses on the experimental and numerical analysis of energy storage devices, in the form of Phase Changing Materials (PCMs), for the optimisation of the performance of this solar technology. The aim of this study is to characterize the impact of Rubitherm RT44 PCM panels on a solar chimney under laboratory and in-situ conditions to carry out a comparison against the classic version. Additionally, a numerical model was developed and tested in the interest of obtaining a numerical tool capable of representing the behaviour of a solar chimney. Finally a bi-objective optimization of the PCM integrated solar chimney numerical model was carried out in order to determine some of the optimal parameters of this type of technology to obtain the highest exiting air flow, all while maintaining a high enough temperature across the chimney to reach the fusion range of the PCMs.