Ces dernières décennies ont vu le développement exponentiel des technologies de stockage, du fait des contraintes de plus en plus fortes sur le secteur énergétique et les ressources fossiles, suscitant un intérêt croissant de la part des chercheurs et des industriels. Ces technologies trouvent en effet de multiples applications, par exemple en combinaison avec des sources d’énergie renouvelable pour pallier leur intermittence, ou en récupération de chaleur fatale sur les procédés industriels. De nombreux concepts ont été développés à ce jour, et parmi eux la solution thermocline dual-media, qui consiste à stocker l’énergie sous forme thermique dans un réservoir contenant le mélange d’un fluide et d’une matrice solide.C’est sur cette technologie que s’est focalisé le projet Therm’Stock, porté par le groupe CNIM et soutenu par les Investissements d’Avenir de l’ADEME. Ce projet, débuté en 2015, associe cette entreprise à trois laboratoires, dont le Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés (LaTEP) de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour. La contribution du LaTEP dans le projet a été centrée sur l’étude des matériaux de stockage à utiliser pour le système thermocline envisagé, avec un focus sur les huiles thermiques comme fluide caloporteur.Dans un premier temps, un recensement des huiles disponibles commercialement a été réalisé, afin de sélectionner les fluides répondant aux contraintes du projet Therm’Stock, et notamment à la gamme de température de fonctionnement visée. Les huiles sélectionnées ont ensuite été caractérisées à l’aide du matériel disponible au laboratoire, afin de définir un ordre de priorité pour leur étude. L’huile Jarytherm® DBT s’étant démarquée, c’est ce fluide qui a été choisi pour la suite des analyses.Ces analyses ont porté sur deux aspects d’intérêt pour le stockage thermocline dual-media : le vieillissement du fluide caloporteur, et sa compatibilité avec le matériau de stockage solide. Les études réalisées ont permis d’évaluer l’influence de différents paramètres sur le vieillissement de l’huile (température, durée), ainsi que sa compatibilité avec plusieurs familles de matériaux. Au total, ce sont 15 combinaisons huiles/solides qui ont été testées, sur 18 campagnes d’essai.Deux matériaux solides ont montré une compatibilité intéressante avec l’huile Jarytherm® DBT : l’acier et le verre soda-lime. Afin de compléter l’étude réalisée au laboratoire, ces deux combinaisons ont été introduites et testées dans un pilote de stockage thermocline dual-media, développé et exploité par Bertin Technologies, filiale du groupe CNIM. Certains des résultats obtenus ont été communiqués au LaTEP, et ont permis une étude à échelle pilote des performances du stockage avec les matériaux sélectionnés. Cette analyse a par la suite été complétée par une étude numérique, au travers du développement d’un modèle spécifique de stockage thermique. L’utilisation de ce modèle a permis de confirmer et d’étendre les résultats expérimentaux obtenus sur le pilote de Bertin Technologies, mais également d’intégrer les données de vieillissement générées sur le banc d’essai du laboratoire. / These last decades, stronger constraints on the energy sector and fossil sources depletion have pushed towards an increased development of storage technologies, which benefited from a renewed interest from researchers and industrialists. These technologies can be implemented in various applications, for example in combination with renewable energy sources or for waste heat recovery in industrial processes. Several concepts have been developed so far, and among them the dual-media thermocline, which consists in storing thermal energy in a single tank, containing a fluid in direct contact with a solid matrix.Therm’Stock project, led by the CNIM group and supported by the “Investissements d’Avenir” program from ADEME, has focused on this dual-media thermocline system. This project started in 2015, gathering the leading company and three laboratories, including the Laboratory for Thermal, Energy and Process engineering (LaTEP) from the University of Pau (UPPA). LaTEP contribution to the project has been focused on storage material selection and characterization, and more particularly on thermal oils as heat transfer fluids.The study began with a screening of commercial thermal oils, in order to select the ones that could match the constraints linked to Therm’Stock project, and especially the temperature range chosen, between 100 and 350°C. The identified oils have then been characterized using the devices available at LaTEP, to define a priority order for their evaluation for thermal storage. Jarytherm® DBT oil showed promising properties, and this fluid was chosen for the following analyses.These analyses focused on two main aspects, of interest for dual-media thermocline systems: oil ageing, and its compatibility with solid storage medium. The influence of temperature and time on oil ageing has been evaluated, along with the importance of the solid in direct contact with the fluid. In total, 15 oils/solids combinations have been considered, with 18 test campaigns. Two solids have shown promising compatibility with Jarytherm® DBT oil: steel and soda-lime glass. In order to complete the laboratory-scale tests, these two combinations have been introduced and tested in a pilot-scale dual-media thermocline, developed and exploited by Bertin Technologies, a CNIM group affiliate. Some of these experimental data have been shared with LaTEP, and allowed for a pilot-scale study of storage performance with the selected materials. This analysis was then complemented by a numerical study, through the development of a specific one-dimensional storage model. Using this model, experimental data generated on Bertin Technologies pilot could be confirmed and extended. Integrating data from laboratory-scale ageing tests, the influence of heat transfer fluid degradation on storage performance has also been evaluated.

Dans les années récentes, des politiques visant à promouvoir l’efficacité énergétique ont été instaurées en réponse aux obligations réglementaires européennes et internationales. Le stockage d’énergie thermique s’est révélé être une technologie qui permet une amélioration de l’efficacité énergétique, en particulier celle des installations techniques pour le conditionnement d’air, le chauffage et l’eau chaude sanitaire pour le bâtiment. Parmi les différents types existants, le stockage thermique par chaleur sensible est le plus ancien et le plus répandu sur le marché. Or, l’intégration du ballon de stockage dans les installations énergétiques s’avère délicate tant dans la phase de conception que de l’exploitation de ces installations. Par ailleurs, il convient d’évaluer – pour les systèmes et équipements techniques du bâtiment – leurs consommations énergétiques annuelles (ou saisonnières). Pour répondre à l’ensemble de ces exigences, le recours à la modélisation et simulation dynamique des composants et systèmes énergétiques devient indispensable. Le travail de la présente thèse présente une approche de modélisation et de simulation dynamique d’un ballon de stockage d’eau par chaleur sensible qui répond aux contraintes particulières suivantes : assurer une modélisation fine à partir de la résolution des équations de Navier-Stokes d’un composant – le ballon de stockage – dans lesquels les mécanismes de transfert et d’écoulement sont complexes et réaliser une modélisation dynamique d’un système thermique associant des divers composants techniques d’un circuit et ceci avec des temps de calcul raisonnables, compatibles avec les pratiques courantes des bureaux d’étude spécialisés en conception d’installations . Le travail réalisé associe donc une analyse fine du comportement dynamique du ballon grâce au développement d’un modèle CFD, la détermination d’un modèle réduit à partir de ce modèle – qui permet la construction d’un champ dynamique de température – et enfin une modélisation sous Modelica adaptée à la simulation d’un système énergétique complexe. Dans les différentes phases de cette étude, les résultats issus de la simulation sont alors confrontés aux résultats déduits de divers travaux expérimentaux. La validation de la démarche suite à cette confrontation calculs/expériences permet d’envisager l’application des outils présentés à des projets techniques notamment au projet « PV cooling » de climatisation des bâtiments avec une ressource solaire photovoltaïque, projet réalisé en parallèle de ce projet de thèse et porté par les acteurs industriels qui soutiennent cette recherche. / In recent years, policies to promote energy efficiency have been introduced in response to European and International regulatory obligations. Thermal Energy Storage has proven to be a technology that improves energy efficiency, particularly for the air conditioning, heating and domestic hot water utilities in buildings. Among the existing types, sensible heat storage is the oldest and most widespread on the market. The integration of the storage tank into energy installations may be tricky in both the design and operation phases of these installations. Moreover, the annual (or seasonal) energy consumption of the building's technical systems and equipment should be evaluated. To meet all these requirements, dynamic modeling and simulation of energy components and systems becomes essential. The work of this thesis presents a dynamic modeling and simulation approach of a sensible heat water storage tank which respond to the following particular constraints: To ensure a fine modeling based on the resolution of the Navier-Stokes equations of a component – the storage tank – in which the flow and transfer mechanisms are complex, and to carry out a dynamic modeling and simulation, with reasonable computational time, of a thermal energy system associating various technical components of a circuit and compatible with the usual practices of the specialized system design offices. Thus, the carried out work combines a detailed analysis of the dynamic behavior of the storage tank through the development of a CFD model, the development of a reduced model from the previous CFD model that allows the construction of temperature dynamic fields and finally a Modelica modeling adapted to the simulation of a complex energy system. In the different phases of this study, the results from the simulation are compared to the results deduced from various experimental works. The validation of the approach following this comparison between calculations and experimental results makes it possible to consider the application, of the presented tools, in technical projects and in particular the project “PV cooling” for buildings air conditioning with a photovoltaic solar resource, a project that is carried out in parallel with this thesis by the industrial players supporting this research.

Le stockage de l'énergie solaire thermique s'avère aujourd'hui nécessaire si on veut atteindre une meilleure efficacité et une utilisation à grande échelle de cette ressource. Le stockage sous forme de potentiel chimique se révèle être adapté au stockage de chaleur sur le long terme (cycles saisonniers ou pluriannuels) parce qu'il présente les moindres pertes thermiques par rapport au stockage sensible ou latent. Malgré les avancées significatives faites ces dernières années dans ce domaine, il n'existe pas aujourd'hui de système achevé dédié à ce type de stockage. Le but du présent travail est de démontrer la faisabilité d'un procédé de stockage de chaleur solaire à long terme par absorption pour le chauffage des bâtiments. La chaleur est stockée en été grâce à la désorption et restituée en hiver à travers l'absorption. Une analyse multicritère portant des couples de sorption possibles a permis d'identifier le couple LiBr−H2O pour la démonstration de faisabilité du concept. Il a été montré que la cristallisation d'une partie de la solution permet de multiplier par trois la densité de stockage énergétique et donc d'améliorer la compétitivité du procédé. Un modèle dynamique a été développé pour dimensionner et simuler les performances du système sous différentes conditions opératoires. De nombreuses simulations paramétriques ont permis de discuter de l'influence de différents paramètres et aspects du contrôle du procédé. Cela a donné lieu à la conception et au dimensionnement d'un prototype de démonstration capable de stocker 8 kWh de chaleur et de produire une puissance moyenne de chauffage de 1 kW. Ce prototype a été construit et expérimenté en fonctionnement statique et dynamique sur un banc d'essai, dans des conditions compatibles avec une installation solaire domestique. La faisabilité de la charge du procédé a ainsi été démontrée. L'absorption durant la phase de décharge est effective bien que des problèmes, dus notamment à une conception inadaptée de l'absorbeur, n'ont pas permis d'assurer la restitution de la chaleur. Différents aspects tels que la stratification et la circulation de la solution dans son réservoir ont également été abordés. La confrontation du modèle et des résultats expérimentaux a ainsi été réalisée et discutée. / Energy storage is a key component to improve the efficiency of energy systems, especially when the energy source is intermittent, such as solar energy. Heat storage systems based on sorption processes are relevant in case of long-term storage (seasonal or pluriannual storage) because of their acceptable heat losses. Even though considerable breakthroughs have been made in the past decades, there is no mature long-term sorption heat storage yet. The aim of this work is to demonstrate the feasibility of a long term solar thermal storage by absorption for building space heating. Solar heat is stored in summer using desorption process and released in winter via absorption. A multicriteria analysis on various possible absorption couples leads to the choice of LiBr−H2O as storage media for the concept feasibility demonstration. It has been shown that crystallisation in the solution storage tank can increase the storage density by three times and therefore, is relevant for the process competiveness. A dynamic model has been developed for the system design and simulations under various operating conditions were performed. A lot of parametric simulations are used to investigate the influence of certain parameters and controls aspects. This helps designing a demonstrative prototype that can store 8 kWh of heat and can produce a heating power of 1 kW. The prototype has been built and tested on a test bed in static and dynamic operating conditions that are compatible with domestic solar thermal plants. The charging process has been proved successful. Absorption during discharging phase is also verified. However, some problems related to the absorber design have not made possible to observe the heat release as expected. Various aspects such as stratification and circulation in the solution storage tank have also been addressed. The model comparison with experimental result is then performed and discussed.

Le stockage d’énergie joue un rôle très important dans le secteur énergétique. Concernant le stockage thermique, il est indispensable pour le fonctionnement en continue des centrales solaires à concentration (CSP) ou pour la récupération des chaleurs perdues dans des installations industrielles. Il y a de nos jours un besoin urgent de nouveaux matériaux performants pour remplacer les matériaux conventionnels à base de nitrate pour un fonctionnement à haute température. La présente thèse porte sur le développement de nouveaux matériaux à base de phosphates pour le stockage de la chaleur sensible. C’est la première étude sur l’utilisation des phosphates dans le stockage de la chaleur. Deux approches ont été explorées : le développement des matériaux liquides et des matériaux céramiques monolithiques. Dans la partie des matériaux liquides, l’objectif est de développer des phosphates ayant le même principe de fonctionnement que les sels fondus. Un grand nombre de phosphates a été étudié et les premiers critères d’évaluation sont les températures de fusion, d’évaporation ou de décomposition et la stabilité thermique. Le ternaire M(PO)3 (M = Li, Na, K avec 33,3% molaire de chaque alkali) peut fonctionner à l’état liquide entre 390 et 850°C alors que l’acide polyphosphorique peut fonctionner jusqu’à 200°C (température de solidification restant à déterminer). Concernant les matériaux céramiques, l’étude sur les monolithes de phosphates purs montre des difficultés lors de la mise en forme et la médiocre performance mécanique de ces matériaux. Le travail s’est ensuite focalisé sur les mélanges argileux-sable/phosphates. L’ajout de phosphates est indispensable pour améliorer les propriétés thermiques et mécaniques des céramiques traditionnelles de terre cuite. L’influence de la température de cuisson, la nature des phosphates et la granulométrie des phosphates a été étudié. Les propriétés physiques, thermiques, mécaniques, thermophysiques, thermomécaniques et la stabilité thermique de ces céramiques ont été étudiées entre 30 et 1000°C. Les résultats obtenus ont montré la bonne compétitivité des céramiques à base du mélange argileux-sable/phosphates par rapport aux autres matériaux de stockage thermique solides tels que le béton, les roches naturelles...Le potentiel d’application de ces céramiques a été démontré par des tests de stockage de type thermocline à l’échelle pilote utilisant les meilleurs matériaux monolithiques et de l’air comme fluide caloporteur. Différents paramètres comme la température d’entrée (350 à 850°C) et le débit du fluide caloporteur ont été étudiés pour les deux phases de charge et de décharge. En parallèle, un modèle 1D a été développé avec COMSOL-multiphysics pour simuler des étapes de charges et de décharges. Le modèle décrit les échanges de chaleur entre le solide, l'air et la paroi et tient compte de tous les paramètres liés au stockage thermocline. Les résultats de simulation sont en bon accord avec les données expérimentales obtenues lors des tests à l'échelle pilote. Ce travail a montré de forts intérêts des matériaux à base de phosphates pour le stockage thermique à des différentes gammes de températures couvrant toutes les technologies CSP et la chaleur fatale industrielle. / Energy storage plays a very important role in the energy sector. Concerning the thermal energy storage (TES), it is indispensable for the continuous operation of concentrated solar power plants (CSP) as well as for the recovery of waste heat from industrial facilities. However, there is currently an urgency to develop new TES materials in order to support nitrate-based molten salts, which are up-to-date the only commercial TES materials. This work aimed to develop new phosphate-based materials for sensible heat storage. This is the first study on the use of phosphates as heat storage material. Both liquid and solid phosphate-based materials were developed and their properties and performances in TES were investigated. For liquid materials, the goal is to design phosphates which have the similar operation principle to nitrate-molten salts. This means they are under liquid state when working as TES materials. Different alkali polyphosphates (M(PO)3, M = Li, Na, K) were studied and the first assessment criteria was the melting point, boiling point and thermal stability. Two potential materials were identified. The first one was the ternary mixture of alkali polyphosphates ( Li33.3 Na33.3 K33.3(PO)3 ) which exists under liquid form between 390 and 850°C. The second one was polyphophoric acid ( HPO3.n H2O ) which exist in liquid form up to 200°C. Its melting point will be determined. For solid phosphate-based materials, the utilization of a selected synthetic phosphate or raw phosphate ore without any additive met a major difficulty of shaping step, and the products obtained exhibited poor mechanical performances. The work is then focused on ternary mixtures of clay-sand/phosphates. With this concept, phosphates played the role of additives to improve the properties of traditional fired clay ceramics for TES purposes. Thus, a parametric study was carried out for different clay-sand/phosphate mixtures. The influence of the firing temperature, the nature of phosphates and the granulometry of phosphates were investigated. The physical, thermal, mechanical, thermophysical, and thermomechanical properties and the thermal stability were studied between 30 and 1000°C. The best product was made of 76.24 wt.% clay, 19.06 wt.% sand and 4.7 wt.% hydroxyapatite - a synthetic phosphate and 80 wt.% clay, 15 wt.% sand and 5 wt.% raw phosphate ore. They were competitive versus other solid TES materials such as concrete, natural rocks etc. The potential application of these ceramics was experimentally demonstrated by using a pilot-scale TES system with air as heat transfer fluid. Both charging and discharging phases were successfully repeated several times with various inlet air temperatures (from 350 to 850°C) and air flow rates. Finally, a dynamic 1D model was developed using Comsol Multiphysics software to simulate the charging and discharging phases of the pilot-scale TES tests. This model took into account the role of air, solid ceramic and reservoir wall and integrated all the parameters that impacted the temperature profile in the storage tank. The simulation results matched well with experimental data.

La valorisation de chaleur fatale industrielle en flux gazeux à haute température peut bénéficier de technologies de stockage thermique thermocline, fonctionnant sur la base d’un matériau de stockage céramique et d’un caloporteur gazeux (air). La diversité des gisements de chaleur fatale et des débouchés potentiels met en évidence la nécessité d’un procédé de stockage versatile et robuste. Ce travail de thèse consiste à accompagner le développement de l’entreprise Eco-Tech Ceram, dont les deux activités sont le développement d’une unité de stockage thermique, et le développement de matériaux céramiques issus de sous-produits industriels destinés à une utilisation dans de telles unités. Concernant l’axe stockage, il s’agit de réaliser une validation expérimentale du concept EcoStock via des essais sur des pilotes représentatifs, notamment concernant la sensibilité des performances au débit de décharge, et à la nature de la ressource thermique disponible en charge (débits et températures d’entrées variables).Concernant l’axe matériau, il s’agit de développer une céramique frittée issue de mâchefer d’incinérateur, et destinée à une utilisation en tant que matériau de garnissage dans un système thermocline à lit en vrac, via une approche expérimentale, dans une démarche d’écologie industrielle et avec l’objectif de diminuer autant que possible les coûts de production et les impacts environnementaux, en calquant les méthodes d’élaboration sur celles des céramiques de batiment (briques et tuiles) dont les capacités industrielles sont pré-existantes. r. / The recovery and valorization of high-temperature gaseous waste heat streams can benefit from the development of thermocline thermal energy storage, based on the use of a ceramic material as a solid filler and gases (including air) as heat transfer fluid. The wide diversity of waste heat streams implies developping a versatile and robust system, able to operate in such various conditions.This thesis aims at supporting the development of the company Eco-Tech Ceram, which focuses on developing a compact thermocline air/ceramic thermal storage unit (named EcoStock), and developing ceramics produced from industrial inorganic byproducts, designed to be used as thermal energy storage material. Regarding the « thermal storage » topic, this thesis is focused on the experimental validation of the EcoStock concept, through experimental campaigns on a representative pilot-scale system, especially regarding the influence of operating conditions over performances, and the sensitiviy of the system’s efficiency when discharged at different power level, or charged with low-quality heat streams (varying mass flow rate and inlet temperature during charging phase). Regarding the « ceramic » topic, this thesis is focused on developing a sintered ceramic based on municipal waste incinerator bottom ashes compatible with high temperature thermocline system, with an experimental approach, taking in consideration industrial potential of such ceramics by making industrial mass production of such material realistic, using already widely available industrial processes from the bricks and tiles industries.Keywords: thermal storage, thermocline, experimental validation, waste heat, high temperature, sintered ceramics, incinerator bottom ash valorization.

L’objectif de ce travail de thèse est d’établir les relations entre les propriétés structurales et les conditions d’élaboration d’un vitrifiat de déchets amiantés (nom commercial Cofalit®), dans la perspective de fabriquer un prototype de module de stockage thermique d’énergie solaire. Malgré des provenances de déchets très diverses, les variations de compositions du vitrifiat restent limitées. Les conditions d’élaboration (de refroidissement en particulier) induisent par contre d’importantes disparités dans la microstructure. L’analyse d’une carotte de Cofalit nous a permis de déterminer les mécanismes de cristallisation lors de la fabrication du Cofalit (refroidissement non contrôlé), conduisant à un mélange de phases cristallisées et vitreuse. Nous avons étudié les propriétés structurales (par DRX et RMN) et de cristallisation d’échantillons modèles représentatifs du matériau industriel. Les variations de composition observées sur celui-ci ont été simulées par des ajouts de silice ou de chaux. L’influence de la teneur en fer sur les propriétés radiatives, structurales (verres et céramiques) et de cristallisation a également été quantifiée. Le suivi de la cristallisation séquentielle des céramiques a été effectué par DRX in situ à haute température, à partir de l’état vitreux et à partir de l’état liquide lors du refroidissement. Ces essais ont montré que le Cofalit cristallise complètement pour des vitesses de refroidissement inférieures à 10 K/min. La stabilité du Cofalit (au niveau structural) lors de recuits à hautes températures a également été démontrée. / The aim of this work is to establish relationships between structural properties and production conditions of a vitrified asbestos-containing wastes ceramics (commercially named Cofalit®), with the goal of elaborating a prototype for thermal energy storage of solar energy. Despite various waste sources, the variations of composition observed for this material are limited. On the contrary, the production conditions (cooling stage in particular) induce important differences in the material microstructure. The analysis of a Cofalit core sample allowed us to determine the crystallisation mechanisms during its fabrication process (uncontrolled cooling), leading to a mixture of vitreous and crystalline phases. We propose a structural study (by XRD and NMR) and crystallization properties analyses of synthetic samples, representative of the industrial material. Observed variations of composition on the latter are simulated by additions of silica and lime. The influence of iron oxide content on radiative, structural and crystallization properties (of both glass and ceramic samples) have also been investigated. The following of the sequential crystallisation of ceramic samples has finally been performed using in situ high temperature XRD, from glassy state and during cooling from liquid state. These tests show that the Cofalit crystallizes completely for rates lower than 10 K/min. The high temperature stability on a structural level has also been demonstrated during annealings.

Ce travail porte sur le développement d’un système de stockage de chaleur en vue d’assurer le confort thermique de l’habitacle d’un véhicule électrique. Ce dispositif, appelé batterie thermique, se présente comme un réservoir composé d’un lit fixe de matériaux à changement de phase (MCP). Ce type de matériau a la propriété d’emmagasiner de fortes quantités de chaleur (latente) sous de faibles volumes, permettant d’envisager un système très compact. A l’échelle du matériau, une investigation sur la cinétique des transferts thermiques au sein de plusieurs MCPs a été évaluée. Une expression phénoménologique décrivant l’évolution temporelle de la température d’un MCP en phase de solidification a été proposée. Elle permet d’estimer la durée de solidification du matériau en fonction de ses caractéristiques géométriques et thermiques. A l’échelle du système, un prototype de batterie thermique a été réalisé et la dynamique des transferts en phase de stockage et déstockage a été étudiée. Les durées de stockage et déstockage suivent des lois de puissance avec le débit imposé ; les pertes de charges s’avèrent insignifiantes. En parallèle, un modèle numérique simulant le comportement dynamique et thermique d’un lit fixe de particules de MCP a été développé et validé sur les données expérimentales. Il pourra être utilisé pour le dimensionnement du futur prototype et servira également d’outil pour optimiser les performances de la batterie en ajustant les paramètres de contrôle / This study focuses on the development of a heat storage system used to ensure passenger compartment thermal comfort in an electric vehicle. This device, called a thermal battery, is a packed bed latent heat tank filled with phase change materials (PCM). This type of material has the property of storing large amounts of latent heat in small volumes, allowing a very compact system. At the material scale, an investigation on heat transfer dynamics within several PCM was studied. A phenomenological expression which depicts the temporal evolution of the PCM temperature for a solidification phase was suggested. This allows the estimation of the material solidification duration in terms of geometric and thermal characteristics. At the system scale, a thermal battery prototype was set up and the thermal transfer dynamics during the charging and discharging phases were studied. The charging and discharging durations are fitted by power laws in terms of the flow rate; the pressure drops are insignificant. Simultaneously, a numerical model which simulates the dynamic and thermal behavior of a PCM particle fixed bed was developed and validated with the experimental data. It can be used for future prototype sizing and will also serve as a tool to optimize the performance of the battery by setting the control parameters

Le stockage de l'énergie solaire thermique s'avère aujourd'hui nécessaire si on veut atteindre une meilleure efficacité et une utilisation à grande échelle de cette ressource. Le stockage sous forme de potentiel chimique se révèle être adapté au stockage de chaleur sur le long terme (cycles saisonniers ou pluriannuels) parce qu'il présente les moindres pertes thermiques par rapport au stockage sensible ou latent. Malgré les avancées significatives faites ces dernières années dans ce domaine, il n'existe pas aujourd'hui de système achevé dédié à ce type de stockage. Le but du présent travail est de démontrer la faisabilité d'un procédé de stockage de chaleur solaire à long terme par absorption pour le chauffage des bâtiments. La chaleur est stockée en été grâce à la désorption et restituée en hiver à travers l'absorption. Une analyse multicritère portant des couples de sorption possibles a permis d'identifier le couple LiBr−H2O pour la démonstration de faisabilité du concept. Il a été montré que la cristallisation d'une partie de la solution permet de multiplier par trois la densité de stockage énergétique et donc d'améliorer la compétitivité du procédé. Un modèle dynamique a été développé pour dimensionner et simuler les performances du système sous différentes conditions opératoires. De nombreuses simulations paramétriques ont permis de discuter de l'influence de différents paramètres et aspects du contrôle du procédé. Cela a donné lieu à la conception et au dimensionnement d'un prototype de démonstration capable de stocker 8 kWh de chaleur et de produire une puissance moyenne de chauffage de 1 kW. Ce prototype a été construit et expérimenté en fonctionnement statique et dynamique sur un banc d'essai, dans des conditions compatibles avec une installation solaire domestique. La faisabilité de la charge du procédé a ainsi été démontrée. L'absorption durant la phase de décharge est effective bien que des problèmes, dus notamment à une conception inadaptée de l'absorbeur, n'ont pas permis d'assurer la restitution de la chaleur. Différents aspects tels que la stratification et la circulation de la solution dans son réservoir ont également été abordés. La confrontation du modèle et des résultats expérimentaux a ainsi été réalisée et discutée.

Le secteur du bâtiment recèle un fort potentiel d’amélioration de l'efficacité énergétique et de réduction de l’empreinte écologique. Dans cette optique, l’enveloppe du bâtiment joue un rôle important pour relever le défi de la transition énergétique. En effet, une bonne conception de l’enveloppe contribue efficacement à réduire la consommation d’énergie tout en réduisant les émissions de CO2 associés. Cela s’accompagne notamment d’une démarche de développement de nouveaux matériaux et principes constructifs. Ce projet de thèse s’inscrit dans ce cadre en proposant un nouveau matériau composite, qui porte sur l’association de deux matériaux innovant : composite textile mortier (TRC) et matériaux à changement de phase (MCPs). L’objectif de cette combinaison est de contribuer au développement d’éléments de façades multifonctionnelles permettant d’allier performances énergétiques, mécaniques et environnementales. Le but de notre étude est de caractériser en premier lieu, les propriétés mécaniques et thermiques de ces composites puis, d’évaluer l’impact des MCPs sur le confort thermique intérieur pour différentes configurations. Pour atteindre ces objectifs, nous avons adopté une démarche expérimentale et numérique multi échelle. Une campagne expérimentale à l’échelle du laboratoire et in-situ a été menée. En parallèle, nous avons développé un modèle numérique de paroi multicouche, couplé à un modèle de bâtiment. Enfin, nous avons exploité ce couplage pour réaliser une optimisation multicritère à base d’algorithmes génétiques. / The building sector has a great potential to improve energy efficiency and reduce the greenhouse gas emissions. Improvements to the building envelope and Innovations in building materials have the potential to achieve sustainability within the built environment. This PhD thesis focuses on the development of multifunctional façade elements in order to optimize the building energy consumption while maintaining an optimal indoor human thermal comfort. The proposed solution consist of using passive storage by means of phase change materials associated with alternative construction materials such as textile reinforced concrete (TRC). The aim of the study is to characterize mechanical and thermal properties of TRC composites and to evaluate the effect of PCMs on indoor thermal comfort. To meet these objectives, experimental devices have been set up for the characterization (at the component scale and in situ) of the mechanical and thermal behaviour of different TRC panels. In parallel, we have developed a numerical model for the prediction of wall temperature profiles. Finally, a multi-objective optimization of the façade elements is carried out using genetic algorithms to determine the better combinations able to combine the energy performance with the mechanical performance.

Comme les autres technologies liées aux énergies renouvelables, le solaire à concentration souffre des problèmes liés à l’intermittence de la ressource. La technologie thermocline est une solution prometteuse qui réduirait le coût du stockage thermique dans les centrales solaires de ce type. Cependant, aucune étude n’a jusqu’ici porté sur l’impact de la variation de la température en sortie du réservoir de stockage de type thermocline sur les autres composants de la centrale. Ce travail de thèse a pour but d’améliorer les connaissances sur ce sujet, grâce à l’utilisation d’une mini boucle solaire cylindro parabolique intégrant un stockage thermocline.En premier lieu, la compatibilité entre le fluide de transfert de la centrale (huile synthétique) et les potentiels matériaux de garnissage de la cuve de stockage (Cofalit, briques de cendres volantes, alumine) est vérifiée. Puis les performances de chacun des composants de la centrale (cuve de stockage, collecteurs solaires, générateur de vapeur) sont analysées expérimentalement et numériquement. Enfin, le comportement du système global est étudié, avec un accent porté sur l’impact de la variation de la température de sortie de la cuve thermocline sur les autres composants.Il a été montré qu’avec un dimensionnement et une stratégie de contrôle appropriés, la technologie thermocline diminue très peu les performances de la centrale solaire par rapport à la technologie conventionnelle à deux cuves (maximum 3 4 % de diminution de la production électrique). / Like other renewable energy technologies, concentrated solar power (CSP) suffers from resource intermittence. Thermocline technology is a promising solution to decrease cost of thermal energy storage in CSP plants. Thermocline behavior has thoroughly been studied in the past years and its behavior is considered well known. However no study treated of thermocline tanks integrated in CSP plants. Thus, the impact of the varying outlet temperature of the thermocline storage has not been assessed yet. This work aims to fill this lack of knowledge by studying a mini parabolic trough power plant integrating a thermocline tank as storage.First, the compatibility between the heat transfer fluid of the plant (synthetic oil) and various potential filler materials (Cofalit, coal fly ash bricks, alumina) of the storage tank is verified. Then, some performance studies are performed on the three main components of the power plant (energy storage tank, solar collectors, steam generator). Finally, the behavior of the whole system is assessed, with a focus on the impact of the varying fluid temperature at the outlet of the thermocline tank on the other components.It has been shown that, with a proper sizing and an appropriate control strategy, thermocline technology induces very low decrease of the solar power plant performance in comparison to the conventional two tank technology (maximum 3-4% of electrical power production difference).