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.

Cette thèse a été réalisée initialement dans le cadre du projet Stockage Thermique Appliqué à l’extension de Production d’énergie Solaire thermodynamique (STARS) soutenu par l'Agence De l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME).L’objectif du projet est de développer une solution de stockage thermique adaptée à la technologie Fresnel à génération directe de vapeur avec une zone de stockage de chaleur latente. Dans une unité de stockage latent, le nitrate de sodium (NaNO3) a été choisi comme matériau à changement de phase (MCP) et l’acier faiblement allié a été envisagé comme matériau de structure du conteneur et de l’échangeur thermique. La contribution de la thèse se positionne au niveau de l’étude de la corrosion et de la durabilité des matériaux de structure (conteneur et échangeur) en contact avec le MCP. L’objectif est de déterminer une loi de vitesse de corrosion qui permettrait de dimensionner les parois de l’échangeur et de développer des protocoles utilisant les techniques électrochimiques afin de suivre in-situ l’état de la corrosion au sein de l’unité de stockage. Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur l’étude expérimentale de la corrosion de l’acier dans le nitrate de sodium fondu à 340°C en fonction des paramètres expérimentaux tels que la présence d’impuretés (oxydes, chlorures), l’atmosphère gazeuse et le cyclage thermique. L’étude par mesures gravimétriques met en évidence la formation d’une couche de corrosion protectrice en surface de l’acier et la production de nitrite de sodium (NaNO2) par la réaction de corrosion. Cette couche constituée principalement de Fe2O3 (insoluble dans NaNO3 fondu) a été caractérisée par différentes méthodes d’analyse de surface (DRX, XPS). L’évolution de l’épaisseur de la couche de corrosion obtenue par cette technique montre une cinétique de corrosion logarithmique dans NaNO3 pur et une cinétique linéaire en présence d’une teneur importante en impuretés chlorures (10 mol%). L’étude électrochimique a apporté des indications sur le comportement du fer (et de l’acier) dans NaNO3 fondu. En combinant ces données avec les observations expérimentales issues des essais de corrosion nous avons pu proposer un mécanisme réactionnel pour la corrosion de l’acier en milieu nitrate fondu. L’étude par spectroscopie d’impédance électrochimique a permis de valider le mécanisme réactionnel proposé. A l’aide de ce mécanisme, les paramètres cinétiques puis la valeur du courant de corrosion ont été déduits par simulation des diagrammes d’impédance. L’analyse de la variation du courant de corrosion en fonction du temps permet de calculer l’épaisseur de la couche de corrosion et de la comparer à celle obtenue par gravimétrie. Un bon accord entre les valeurs obtenues par différentes techniques a été observé.Au cours de ce travail, nous avons également montré la possibilité d’utiliser les techniques électrochimiques pour l’instrumentalisation des installations industrielles afin de suivre in-situ l’évolution de la composition du MCP et l’état d’avancement de la corrosion de l’acier.Enfin, ce travail a montré que l’acier faiblement allié est adapté pour être utilisé dans une unité de stockage latent avec le nitrate de sodium comme matériau à changement de phase. / This thesis was originally performed as part of the STARS project (Stockage Thermique Appliqué à l’extension de Production d’énergie Solaire thermodynamique) which was supported by ADEME (l'Agence De l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie). The objective is to develop a thermal storage system using latent heat from a phase change material (PCM) in order to match with Fresnel technology using direct steam generation. Sodium nitrate (NaNO3) has been selected as PCM and low-alloy steel has been considered as candidate material to build the container and the heat exchanger of a latent heat storage system. The contribution of this thesis is to provide better understanding of the corrosion of the candidate material in contact with the PCM. This thesis aims to determine a corrosion rate law which helps design the thickness of the heat exchanger’s wall and to develop protocols using electrochemical technics to follow in-situ corrosion process in the latent heat storage system. The work presented in this manuscript focuses on experimental study of corrosion of low-alloy steel in molten NaNO3 (340°C) in function of different parameters: presence of impurities (oxides, chlorides), atmosphere and thermal cycling. Gravimetric measurements reveal the formation of a protective corrosion layer on the steel’s surface and the production of sodium nitrite (NaNO2) by corrosion reaction. The corrosion layer consisting mainly of Fe2O3 (insoluble in molten NaNO3) was characterized by surface analytical methods (XRD, XPS). Variation of the thickness of corrosion layer obtained by gravimetric methods shows logarithmic kinetics in pure NaNO3 and linear kinetics in the presence of 10mol% of impurity chlorides. Electrochemical study has provided indications on the iron (and steel) behavior in molten NaNO3. By combining results of this study with experimental observations from gravimetric study, we were able to propose a corrosion mechanism of the steel in molten NaNO3. This mechanism was then validated by electrochemical impedance spectroscopy study. Kinetics parameters and value of corrosion current were deduced by the simulation of impedance diagrams using the proposed mechanism. The thickness of corrosion layer was calculated by analyzing the variation of the corrosion current with time. These values present a good agreement with values obtained by gravimetric study.In this work, we also show the possibility of using electrochemical measurements at industrial scale to follow in-situ the evolution of the PCM's composition and the corrosion state. Finally, this work has shown that low-alloy steel is suitable for using in a latent heat storage system with NaNO3 as phase change material.

Cette thèse présente les résultats de recherche, de modélisation et de simulation d'un système de rafraîchissement solaire au Maroc dans le cadre du projet PRSM (Procédés de Rafraîchissement Solaire au Maroc) financé par l'IRESEN (Institut de Recherche en Energie Solaire et Energies Nouvelles). L'objectif est d'étudier les facteurs concernant l'optimisation d'une machine à absorption solaire (LiBr-H2O) sous les conditions marocaines. De plus, un certain nombre de critères de conception, qui peuvent être utilisés par les concepteurs de systèmes de climatisation et de chauffage solaires, ont été établis en tenant compte de considérations énergétiques et économiques. En conséquence, cette thèse couvre quatre aspects. Le premier aspect présente un aperçu de recherche bibliographique sur les technologies solaires, en mettant l'accent sur les systèmes du froid solaire, les processus pertinents existants, l'état du marché, les développements récents des technologies les plus prometteuses et les principaux indicateurs de performance qui figurent dans la littérature. De plus, l'aspect expérimental de l'installation de climatisation solaire adopté dans le projet PRSM a été décrit pour identifier les caractéristiques techniques importantes de l'installation et les difficultés rencontrées lors de la réalisation du prototype. La deuxième dimension concerne la faisabilité technique d'un système de climatisation solaire en se basant sur des indicateurs énergétiques et économiques et prenant en compte les effets combinés des climats, des catégories de bâtiments et des besoins en climatisation dans les conditions marocaines. Le troisième aspect présente le stockage latent de l'énergie thermique utilisant les matériaux à changement de phase (MCPs). Il porte sur l'étude des méthodes numériques utilisées dans la modélisation des phénomènes de changement de phase et se concentre également sur l'ajout des MCPs dans le système de climatisation solaire intégré à l'intérieur du ballon solaire connecté au générateur de la machine à absorption pour évaluer l'amélioration possible du rendement du système. Le quatrième volet de cette thèse présente l'analyse technico-économique et de sensibilité appliquée au développement d'un procédé solaire combiné d'eau chaude sanitaire, chauffage et climatisation au Maroc. L'analyse globale via une généralisation des résultats au niveau national a été réalisée en complément d'une analyse de sensibilité liée à l'investissement dans ces systèmes afin d'évaluer le potentiel de remplacement des technologies traditionnelles par les systèmes solaires et les gains éventuels liés à leur implantation au Maroc. / This thesis reports the results of research into the modeling and simulation of a solar air-conditioning system for Morocco in the framework of the project SCPM (Solar Cooling Process in Morocco) funded by IRESEN (Research Institute for Solar Energy and New Energies). The aim is to investigate the factors concerning the optimization of a LiBr-H2O solar absorption chiller under Moroccan conditions. Further, a number of design criteria, which can be used by designers of solar cooling and heating systems, have been established using energy and economic considerations. Accordingly, this thesis covers four aspects. The first overviews the literature survey on solar technologies with a focus on solar cooling systems which reports the relevant processes, summarizes the market status, presents the recent developments of the most promising technologies and describes the main performance indicators figuring in the literature. Moreover, the experimental aspect of the solar air-conditioning installation adopted in the SCPM project was described to identify the important technical characteristics of the installation and the difficulties encountered during the realization of the prototype. The second dimension concerns the technical feasibility of solar air-conditioning system using energy and economic indicators taking into account the combined effects of climates, building categories and cooling demands under Moroccan conditions. The third aspect presents the latent thermal energy storage using Phase Change Materials (PCMs). It concerns the investigation of numerical methods used in the modeling of phase change phenomena and also focuses on PCMs addition in the solar cooling process integrated inside solar storage tank connected to the generator of the absorption chiller to evaluate the possible enhancement in the system efficiency. The fourth aspect of this thesis outlines the technico-economic and sensitivity analysis applied to the development of a combined processes of solar DHW, heating and air-conditioning in Morocco. The overall analysis via a generalization of the results to the national level was carried out in addition to a sensitivity analysis related to the investment in these systems in order to assess the potential of replacing traditional technologies with the solar systems and the possible earnings related to their implementation in Morocco.