Les actions conjointes en faveur d'une meilleure isolation du bâti et de l'expansion des énergies renouvelables dans l'habitat jouent un rôle de premier plan dans la politique de réduction des gaz à effet de serre et la recherche d'une plus grande efficacité énergétique. La présente thèse vise à développer un système de stockage de chaleur par voie thermochimique dédié au chauffage solaire d'une maison individuelle. A cet effet, un matériau de stockage spécifique à été mis au point, à base de zéolithe et de sulfate de magnésium. Le principe, reposant sur un phénomène mixte d'adsorption physique de vapeur d'eau et de réaction chimique d'hydratation, est à caractère inter-saisonnier : en été, la chaleur issue de capteurs solaires thermiques à air est stockée par le matériau, qui se déshydrate selon une réaction endothermique ; en hiver, l'exothermicité de la réaction inverse est exploitée afin de chauffer l'habitat. Après un état de l'art des technologies de stockage thermique, un protocole de préparation de ce matériau composite innovant est établi. Des travaux de caractérisation sont alors entrepris à l'échelle micro et macroscopique. A partir de ces données expérimentales macroscopiques, le système de stockage est dimensionné en fonction des besoins en chaleur pour le chauffage d'une maison individuelle de type Bâtiment Basse Consommation. A l'issue de cette étude, un modèle de réacteur de stockage thermique est élaboré, afin d'interpréter les transferts couplés de matière et de chaleur intervenant dans le lit de matériau et d'optimiser le réacteur de stockage en conséquence. La validité du modèle est ensuite testée et discutée à la lumière des résultats expérimentaux.

Ce travail de thèse porte sur l’étude et le développement de matériaux adaptés pour la conversion et le stockage thermochimique de l’énergie solaire concentrée à haute température (400-1200°C), en utilisant des réactions solide-gaz réversibles. Ce type de stockage peut être associé aux centrales solaires thermodynamiques pour la génération d’électricité. Une étude bibliographique a permis d’identifier et de sélectionner les matériaux les plus adaptés possédant une densité d’énergie élevée pour le stockage thermochimique, suivant les critères de domaine de température et de non-toxicité requis. Les matériaux sélectionnés sont des oxydes métalliques (de Fe, Mn, Co, Cu), ainsi que des carbonates et des hydroxydes (de Ca, Sr, Ba). Les travaux ont porté ensuite sur les équilibres thermodynamiques des systèmes afin de prévoir les températures de transition et capacités de stockage théoriques. Une étude expérimentale a également été effectuée avec pour objectifs de déterminer précisément les niveaux de température, capacités de stockage en oxygène et enthalpies pour chaque réaction, et de démontrer leur réversibilité complète sur plusieurs cycles successifs. Des oxydes métalliques mixtes (systèmes binaires de Co-Cu, Co-Fe, Mn-Fe, Mn-Co, Mn-Cu) et des pérovskites substituées sur sites A et B ont été développés afin d’optimiser les propriétés redox des matériaux pour le stockage thermochimique. Concernant les carbonates et les hydroxydes de Ca, Sr, Ba, l’addition d’un agent stabilisant (MgO) a permis d’améliorer la stabilité des matériaux et la réversibilité des réactions au cours des cycles. Enfin, un nouveau réacteur thermochimique solaire, permettant la conversion en continu de particules réactives solides, a été validé expérimentalement et optimisé dans le cas de la décomposition de CaCO3 pour le stockage de l’énergie solaire. / This PhD thesis deals with the study and development of suitable materials for thermochemical conversion and storage of concentrated solar energy at high temperature (400-1200°C), by using reversible solid-gas reactions. This type of storage can be associated with solar thermal power plants. A bibliographic survey was performed to identify and select the most promising materials with a high energy storage density for thermochemical storage, based on different required criteria. The selected materials are metal oxides (of Fe, Mn, Co, Cu), carbonates and hydroxides (of Ca, Sr, Ba). The work then focused on the thermodynamic equilibria to determine the theoretical transition temperatures and energy storage capacities of the selected materials. An experimental study was carried out in order to determine the reaction temperatures, oxygen storage capacities and enthalpies for each reaction, and to demonstrate their complete reversibility upon cycling. Mixed metal oxides (binary systems of Mn-Fe, Co-Fe, Co-Cu, Mn-Cu, Mn-Co) and A- and B-site substituted perovskites were developed to optimize their thermochemical energy storage properties. Regarding carbonates and hydroxides of Ca, Sr, Ba, the addition of a stabilizing agent (MgO) allowed improving the materials cycling stability and reactions reversibility during successive cycles. Finally, a novel lab-scale solar reactor was experimentally tested in order to investigate the continuous decomposition of CaCO3 particles for thermochemical solar energy storage application.

Les sources d'énergies renouvelables représentent un gisement intéressant mais l'intermittence de leur production impose une meilleure anticipation des besoins et la mise en place d'un système de stockage d'énergie. Le stockage thermochimique par adsorption dans un système intégrant le couple zéolithe 13X/eau semble être une solution adaptée à un stockage de l'énergie à basse température pour une application aux bâtiments. Notre objectif consiste à reproduire le comportement de ce type de problèmes thermiques non-linéaires. En effet, une simulation précise et rapide du comportement du système sélectionné permettrait une régulation lors de son utilisation. Un modèle bidimensionnel de stockage d'énergie dans un adsorbeur cylindrique a été développé. La résolution numérique de ce modèle, dit d'ordre élevé, implique l'intégration d'un système de quelques centaines à quelques milliers d'équations fortement non-linéaires et couplés. Les coûts de calculs générés pouvant être prohibitifs, l'application d'une méthode de réduction a ainsi été envisagée afin de conserver les caractéristiques, le couplage des transferts de chaleur et de masse ainsi que les non-linéarités de ce modèle tout en limitant le temps de calculs. La projection de Galerkin des équations de ce dernier sur la base, obtenue grâce à une décomposition orthogonale aux valeurs propres, permet de construire un système dynamique d'ordre faible. Sa résolution est moins coûteuse que celle du modèle d'ordre élevé et reproduit correctement la dynamique de l'adsorbeur.

Le défi énergétique imposé par l’épuisement des énergies fossiles d’une part et par leur consommation croissante d’autre part, a favorisé l’apparition d’une gestion optimale de l’énergie basée sur l’utilisation de ressources propres et renouvelables telles que l’énergie solaire. Le secteur du bâtiment est le principal consommateur d’énergie. Une grande partie de cette énergie est consommée par les systèmes de chauffage. Par conséquent, une bonne gestion peut être réalisée grâce à l’utilisation des technologies de stockage thermochimique d’énergie. L’avantage principal d’utiliser ce type de système est la possibilité de stocker de la chaleur pendant la période de disponibilité maximale du rayonnement solaire, en été (étape de déshydratation) et la libérer pour chauffer une maison pendant la période hivernale (étape d’hydratation). L’amélioration des propriétés d’adsorption des matériaux pour le stockage thermochimique de la chaleur est l’objectif principal de ce travail. L’utilisation d’adsorbants poreux tels que les zéolithes dans le domaine du stockage saisonnier de la chaleur s’avère être une solution intéressante pour la réduction de la consommation d’énergie. Par ailleurs, le développement de nouveaux matériaux composites à base d’hydrate de sel a été étudié pour améliorer les capacités de stockage à la fois des matrices mésoporeuses et des hydrates salins. Une comparaison entre les différentes séries de matériaux de stockage thermochimiques sélectionnés et synthétisés a été réalisée, concernant l’impact de la nature et de la quantité de sel ajouté et des propriétés physicochimiques des matériaux poreux sur leurs densités de stockage de chaleur et leurs capacités de sorption d’eau. Afin de mieux comprendre le comportement d’adsorption-désorption, les différents types de matériaux de stockage sélectionnés ont été caractérisés d’un point de vue structural et textural en utilisant des techniques appropriées et par adsorption de la vapeur d’eau en utilisant un analyseur thermique TG-DSC 111 de Setaram. Des cycles successifs d’hydratation (à 20°C) / déshydratation (à 150°C) ont été effectués / The energy challenge imposed by exhaustion of fossil fuels and their increasing consumption has favored the emergence of optimal energy management based on the use of alternative resources such as solar energy. The household sector is the main consumer of energy. A large part of this energy is consumed by heating systems. Therefore, good management can be achieved through the use of thermochemical energy storage technology. The main advantage to use this type of system is the possibility to store heat during the maximum availability of solar radiation in summer (dehydration step) and release the energy on demand for heating houses in winter (hydration step). The improvement of the adsorption properties of materials for thermochemical heat storage is the main objective of this work. The use of porous adsorbents such as zeolites in the field of seasonal heat storage is an attractive solution for the reducing of energy consumption. On the other hand, the development of new composite materials based on hydrate salt is made to improve the heat storage capacities of both pure mesoporous host matrix and hydrate salt. A comparison among different series of thermochemical storage materials selected and synthesized was done by analyzing the impact of salt addition and physico-chemical properties of porous materials on the heat storage and water sorption performances. In order to understand the adsorption-desorption behavior, different kinds of materials were characterized in their structural, textural and surface properties by using appropriate techniques and by adsorption of water vapor using a Setaram TG-DSC 111 apparatus. Successive cycles of hydration (at 20°C) / dehydration (at 150 °C) were performed

Les actions conjointes en faveur d’une meilleure isolation du bâti et de l’expansion des énergies renouvelables dans l’habitat jouent un rôle de premier plan dans la politique de réduction des gaz à effet de serre et la recherche d’une plus grande efficacité énergétique. La présente thèse vise à développer un système de stockage de chaleur par voie thermochimique dédié au chauffage solaire d’une maison individuelle. A cet effet, un matériau de stockage spécifique à été mis au point, à base de zéolithe et de sulfate de magnésium. Le principe, reposant sur un phénomène mixte d’adsorption physique de vapeur d’eau et de réaction chimique d’hydratation, est à caractère inter-saisonnier : en été, la chaleur issue de capteurs solaires thermiques à air est stockée par le matériau, qui se déshydrate selon une réaction endothermique ; en hiver, l’exothermicité de la réaction inverse est exploitée afin de chauffer l’habitat. Après un état de l’art des technologies de stockage thermique, un protocole de préparation de ce matériau composite innovant est établi. Des travaux de caractérisation sont alors entrepris à l’échelle micro et macroscopique. A partir de ces données expérimentales macroscopiques, le système de stockage est dimensionné en fonction des besoins en chaleur pour le chauffage d’une maison individuelle de type Bâtiment Basse Consommation. A l’issue de cette étude, un modèle de réacteur de stockage thermique est élaboré, afin d’interpréter les transferts couplés de matière et de chaleur intervenant dans le lit de matériau et d’optimiser le réacteur de stockage en conséquence. La validité du modèle est ensuite testée et discutée à la lumière des résultats expérimentaux. / The combined efforts promoting an improved insulation and a growth of renewable energies use in buildings play a key role in the road towards greenhouse gas reduction and better energy efficiency. This thesis purpose is to develop a chemicalbased thermal energy storage system devoted to solar space heating of single-family houses. A specific heat storage material has thus been created, made of zeolite and magnesium sulphate. The storage principle, based on a hybrid phenomenon between water vapour physical adsorption and chemical hydration reaction, is seasonal : during the summer, the material stores heat obtained from evacuated tube solar collectors using an endothermic dehydration reaction ; the stored heat is released by rehydration of the material during the winter to produce hot air dedicated to space heating. After a state of the art regarding thermal energy storage technologies, a preparation method is set up. Then, characterization studies of this innovative composite material have been performed, at both micro- and macroscopic scales. Thanks to the macroscopic experimental data, the system size is estimated to meet the space heating energy demand of a low energy single-family house. Afterwards, a thermochemical storage model is developed to understand the coupled heat and mass transfer occurring in the composite sorbent bed, and consequently optimize the reactor design. The model relevancy is finally discussed with respect to experimental results.

Les sources d’énergies renouvelables représentent un gisement intéressant mais l’intermittence de leur production impose une meilleure anticipation des besoins et la mise en place d’un système de stockage d’énergie. Le stockage thermochimique par adsorption dans un système intégrant le couple zéolithe 13X/eau semble être une solution adaptée à un stockage de l’énergie à basse température pour une application aux bâtiments. Notre objectif consiste à reproduire le comportement de ce type de problèmes thermiques non-linéaires. En effet, une simulation précise et rapide du comportement du système sélectionné permettrait une régulation lors de son utilisation. Un modèle bidimensionnel de stockage d’énergie dans un adsorbeur cylindrique a été développé. La résolution numérique de ce modèle, dit d’ordre élevé, implique l’intégration d’un système de quelques centaines à quelques milliers d’équations fortement non-linéaires et couplés. Les coûts de calculs générés pouvant être prohibitifs, l’application d’une méthode de réduction a ainsi été envisagée afin de conserver les caractéristiques, le couplage des transferts de chaleur et de masse ainsi que les non-linéarités de ce modèle tout en limitant le temps de calculs. La projection de Galerkin des équations de ce dernier sur la base, obtenue grâce à une décomposition orthogonale aux valeurs propres, permet de construire un système dynamique d’ordre faible. Sa résolution est moins coûteuse que celle du modèle d’ordre élevé et reproduit correctement la dynamique de l’adsorbeur. / Renewable energy sources will play a key role in meeting future energy demand. One major criticism of those sources stands in their intermittency requiring both a more effective management of demand and efficient storage systems. We focus on thermo-chemical storage by adsorption-desorption mechanism. Eco friendly, economically viable and suitable with solar energy temperature range made the zeolite 13X - water pair ideal for buildings applications. We built an energy storage model in a cylindrical adsorber which contains the mentioned zeolite13X - water pair. Energy storage has been modeled to present coupled heat and mass transfers thanks to a bi-dimensional model. The numerical simulations lead to the time-space evolution of the heating fluid and adsorbent temperatures and pressure. These knowledge models include typically a great amount of coupled differential equations to solve and strong non linearities. The originality of this study is to build a knowledge model of coupled heat and mass transfer in an adsorber and use the Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Galerkin projection to build a minimal model of lower dimension without significant loose of accuracy.