Les travaux présentés dans cette thèse concernent le développement d’un procédé de stockage d’énergie thermique haute température par voie thermochimique en vue d’une application dans une centrale solaire à concentration. Un état de l’art des technologies de stockage d’énergie thermique haute température par voie thermochimique a permis de définir le couple réactionnel et la technologie les mieux adaptés au procédé. Ainsi, la réaction réversible Ca(OH)2(s) = CaO(s) + H2O(g) est mise en oeuvre dans un réacteur à lit fluidisé. Une étude expérimentale a permis de démontrer la faisabilité du procédé en stockant et en déstockant l’énergie à une même température et en mettant en oeuvre 50 cycles de charge/décharge de l’énergie sans perte de réversibilité. L’utilisation d’un modèle monodimensionnel couplant les phénomènes chimiques, thermiques et hydrodynamiques à l’intérieur du réacteur a permis de mettre en évidence l’influence des conditions opératoires sur les performances du système. Les premiers pas vers une extrapolation industrielle font l’objet de la dernière partie de ces travaux, en présentant l’analyse énergétique d’une centrale solaire à concentration intégrant le procédé de stockage développé et en présentant une étude expérimentale mettant en oeuvre un solide de type industriel dans le réacteur. / This PhD thesis concerns the development of a high temperature thermochemical heat energy storage process for an application in concentrated solar power plants. A literature review allows the identification of both the best reaction couple and technology to operate the process. Thus, the Ca(OH)2(s) = CaO(s) + H2O(g) reversible reaction is carried out in a fluidized bed reactor. The experimental study demonstrated the process feasibility. Thermal energy has been charged and discharged at the same temperature and 50 cycles have been performed without any loss of reversibility. A 1D model coupling the chemical, thermal and hydrodynamic phenomena inside the reactor has been developed to study the operating parameter effects on the process performance. The last section of this work deals with the first steps towards an industrial scale-up. An energetic analysis of a concentrated solar power plant integrating the developed storage process is detailed as well as the reactions implementation with an industrial solid.

Cette étude concerne la compréhension des mécanismes de transfert de chaleur et le développement d’un système de stockage pour la valorisation de la chaleur fatale industrielle. L’utilisation de Matériaux à Changement de Phase (MCP) permet d’atteindre une densité énergétique élevée et de restituer la chaleur à température constante. Cependant, leur faible conductivité thermique impose d’améliorer les transferts thermiques, notamment par l’utilisation d’échangeurs à surface augmentée. Le but est de comprendre le comportement de tels échangeurs en régime transitoire au contact de MCP. Une étude expérimentale à basse température, où quatre échangeurs de type tube-calandre ont été testés avec différentes orientations (horizontale/verticale) et injections (haut/bas), a mis en évidence des phénomènes de transfert thermique importants, comme la convection naturelle à la charge et la contraction volumique à la décharge. Ces observations ont été validées par un modèle CFD tridimensionnel. Une méthode de comparaison des performances basée sur un calcul d’énergie par le biais d’un maillage expérimental est proposée et permet de sélectionner un échangeur selon les critères de densités énergétiques, de temps caractéristique et de coût. Trois MCP, envisagés pour l’application, ont alors été testés à température réelle (100-200 °C) au contact d’un échangeur tube inox à ailettes transverses en aluminium pour évaluer leur cyclabilité et comparer leur comportement. Le mélange de sels, H105 (Tfusion = 122 °C), n’est pas retenu pour l’application à cause de sa faible densité énergétique (≈ 56 kWh/m3) et sa plage de fusion trop étalée. L’acide sébacique (Tfusion = 132 °C) a un comportement répétable au cours des cycles et une densité énergétique plus élevée (≈ 66 kWh/m3). L’alcool de sucre, l’érythritol (Tfusion = 118 °C), présente de bonnes thermo-physiques (128 kWh/m3) mais la maîtrise de sa cristallisation est un point clé pour l’utiliser en tant que MCP. / This PhD thesis deals with the understanding of the heat transfer mechanisms and with the development of thermal energy storage system for the industrial waste heat recovery application. The use of Phase Change Materials (PCM) is attractive for its high storage density and its possibility to deliver heat at constant temperature. However, the PCM low thermal conductivity leads to develop heat transfer improvement methods, such as heat exchangers with increased heat transfer surface. The goal is to characterize the behavior of such heat exchangers An experimental study, where four several heat exchangers have been tested with different orientations (horizontal/vertical) and injection types (upward/downward), highlighted the impact of natural convection during the melting process and the volume contraction one during the solidification. These results have been validated through a 3D numerical model. A performance comparison method based on an energy calculation through an experimental mesh is proposed and enables to select a heat exchanger on criteria such as the storage density, the characteristic time and the cost. Three PCM, adapted to our application, have been tested at the intended temperature (100-200 °C) by integrating them into a storage system made of a stainless steel tube with aluminum circular fins. Their ability to resist to repeated cycles has been assessed and their behavior has been compared. The salts mixture, H105 (Tmelting = 122 °C), is not selected for the application because of it low storage density (≈ 56 kWh/m3) and its large melting area. The sebacic acid (Tmelting = 132 °C) has a repeatable behavior with cycles and a higher storage density (≈ 66 kWh/m3) and is appropriate as storage material. The sugar alcohol, erythritol (Tmelting = 118 °C), has good thermo-physical properties (128 kWh/m3) but the crystallization control is a key point to use it as a PCM.

La thèse est centrée sur la modélisation de la physique du comportement d’un alliage binaire et l’implémentation du meilleur modèle mathématique pour simuler le changement de phase liquide solide en tenant compte de la vitesse de refroidissement, la vitesse de solidification, la ségrégation, la convection naturelle et la surfusion afin d’optimiser la capacité de stockage de chaleur d'un tel matériau. Dans le présent travail, les températures pour lesquelles le changement de phase s'opère sont estimées grâce aux diagrammes des phases et la méthodologie CALPHAD qui retraduisent les différentes phases d'un alliage binaire, y compris la transformation isotherme. Pour cela, la minimisation de l'énergie de Gibbs est résolue dans un code de calcul développé à cette occasion et aboutit à l'identification des phases stables du matériau. Pour un intervalle de température souhaite le code permet d'estimer rapidement la décharge de chaleur pour la composition de l'alliage sélectionné en équilibre ou hors équilibre. Dans la méthode proposée, la vitesse de refroidissement du système permet de calculer la vitesse de solidification. Puis,celle-ci établit la relation entre la cinétique globale et la macrostructure. Basé sur le modèle de non-équilibre local, qui dépend de la variation du coefficient de partition, le degré de surfusion est prédit à partir de la vitesse de refroidissement appliquée. Une étude bibliographique a été réalisée pour amener une comparaison numérique et assurer la capacité de notre méthode à reproduire le changement de phase, en incluant des phénomènes spécifiques tels que la surfusion et la recalescence. / Latent Heat Thermal Energy Storage (LHTES) shows high storage density compared to sensible thermal systems. For high temperature applications, the use of alloys as phase change materials presents many advantages. Principally, varying alloy composition allows controlling the storage\discharge of thermal energy through an expected temperature range (defined by the heat source), and the high thermal conductivity givessuitable heat transfer properties to the system that receives/supplies the energy. However, some systems need a specific temperature range to correctly operate. In such conditions, subcooling (also known as undercooling) and segregation are undesirable phenomena in alloys when they are used as PCM. In thepresent work, we propose a method to predict the latent heat release during phase transformation of a binaryalloy submitted to a controlled cooling rate, including subcooling, segregation and variation of composition.This thesis describes the physical models that apply when heat is released from such a material. We takeinto consideration the cooling rate applied to the PCM, the solidification velocity, convective phenomena,melting temperature and subcooling. In the present work, phase diagrams and the CALPHAD methodologyare used to determine the temperature range for phase change (or constant temperature value for isothermal transformation) by minimizing the Gibbs equilibrium energy. The Gibbs free energy minimization has been implemented in a homemade numerical code. The material can be screened with different compositions for equilibrium or off-equilibrium solidification allowing quick selection of the optimal material for the specific heatsource. In the proposed method, the solidification velocity is obtained from the cooling rate. Then, variationin microstructure is driven by the solidification velocity using the local non-equilibrium diffusion model. Based on the local nonequilibrium model that depends on the partition coefficient variation, the subcooling degree, wich is derived from the applied cooling rate is predicted. A bibliographic study has been carried out and anumerical comparison has been undertaken to ensure the capacity of our code to reproduce the phase change of various materials that include phenomena such as subcooling and recalescence. The results highlight that the cooling rate is one of the most important parameters in the performance of the thermal storage, having a large effect on segregation and subcooling degree. Moreover, we show the influence ofpartition coefficient on the time evolution of solid fraction, considering a constant or a composition-dependent value. We can conclude that the latent heat release can be correctly predicted provided that the method correctly predicts the phase diagram and the variable partition coefficient. This work helps to accelerate the design and development of thermal storage systems and lays the foundation to continue exploring other kinds of materials (e.g. paraffins).

Les travaux présentés dans ce manuscrit de doctorat s'inscrivent dans la thématique du stockage inter-saisonnier de l'énergie solaire thermique pour l'habitat et le tertiaire (eau chaude sanitaire et chauffage). Le stockage thermochimique en air humide est une des solutions les plus prometteuses, en particulier avec un réacteur à lit fixe. Le bromure de strontium et l'alun de potassium ont été sélectionnés comme réactifs pour leurs caractéristiques énergétiques lors de réactions d'hydratation et de déshydratation. L'étude est constituée d'avancées théoriques, de nombreuses expérimentations et d'un modèle numérique détaillé. Une étude thermodynamique a démontré l'existence d'une droite de charge qui relie les conditions d'entrée et de sortie de l'air humide au passage du réactif. Les équations régissant les réactions chimiques, les transferts massiques et thermiques et la conservation de la quantité de mouvement ont été établies et un modèle numérique monodimensionnel couplant ces phénomènes a été développé. Des essais sur différents échantillons des deux sels et pour divers conditions opératoires ont été effectués dans le but de comprendre les phénomènes physico-chimiques ainsi que pour valider l'étude théorique et le modèle numérique. / This PhD thesis focuses on seasonal solar thermal energy storage for household applications such as production of heat and domestic hot water. Thermochemical storage was chosen for that purpose. The specific solid/gas reactions with water vapor, also called hydration/dehydration reactions, were used with a multi-scale global approach. The level of the reactor was identified as the critical level of that multi-scale approach. As a consequence, the integrated fixed-bed reactor technology in a moist air open loop system was adopted. A theoretical, experimental and numerical methodology was used for the study where strontium bromide and potassium alum salts were chosen as reactive materials. The corresponding reactions are: + 5 (H2O) ↔ (with Δhr=67.4 kJ/molwater and Δsr=175 J/K.molwater) + 9 (H2O) ↔ < KAl(SO4)2.12H2O > (with Δhr=44.2 kJ/molwater and Δsr=109.8 J/K.molwater) The first salt exhibits very good thermochemical properties. On the other hand, the main advantages of potassium alum are its low cost and the fact that it presents no sanitary risk. More than 30 cycles with 3 different samples of potassium alum and more than 25 cycles with 4 samples of strontium bromide under various stationary and dynamic operating conditions were carried out in order to understand the phenomena. The main experimental results were the following ones: • A very good stability and reproducibility of physical and chemical phenomena was observed for both materials. • A thermal reaction front was also observed. • A thermal hysteresis for both salts was found. • Based on that last observation a theoretical equation named charge-discharge line was developed. Experimental results with both salts validate the charge-discharge line theory. • A correlation between reaction kinetics, temperature rise due to the reaction, power of the reaction and the operating conditions was observed. The criterion for that correlation is the affinity of the reaction. A proportional correlation between affinity and reaction kinetics, temperature rise and power of the reaction was observed. • Spontaneous hydration and over-hydration reactions do not produce any particular difficulties or problems. • Pressure drop through the reactor and evolution of salts volume were also measured. Experimental energy density was measured in the range of 350 kWh/m3 for strontium bromide and 240 kWh/m3 for the potassium alum. • In general, strontium bromide is a very good candidate material for seasonal storage, while potassium alum cannot provide satisfying temperature rise and power. The equations governing those phenomena were also established and used to develop a 1D numerical model with partial differential equations coupling chemical phenomena, mass and thermal transfer phenomena and momentum conservation. Verification, validation and confirmation of this model under a very large range of operating conditions were carried out based on the experimental results of strontium bromide. A total of 19 different test cases were studied in order to validate the numerical model. The effect of humidity, temperature, quantity of reactive material and air flow were studied both for stationary and dynamic conditions. The numerical model was able to provide very satisfying results.