Soutenance de thèse en visioconférence : Bao CHEN

Study of an ettringite-based thermochemical energy storage for buildings

Doctorant : Bao CHEN

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale :  ED162 : Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique (MEGA)

Les besoins en énergie dédiés au chauffage et à l'eau chaude sanitaire dans des bâtiments, caractérisés par des pics de consommation en début et en fin de journée tout comme en hiver, représentent un défi d’importance vis-à-vis de l'utilisation des énergies renouvelables. Une des technologies les plus prometteuses, se présente sous la forme d’un système de stockage d'énergie dit thermochimique (TCES). Ce mode de stockage permet en effet de stocker différents types d'énergie sous la forme d’un potentiel chimique et est caractérisé par une absence de dissipation d'énergie. En tant que matériau de stockage thermochimique récemment étudié, l'ettringite conviendrait ainsi à une utilisation à grande échelle en raison de sa non-toxicité, de son faible coût de production et de sa haute densité énergétique à basse température de fonctionnement. Cette thèse avait pour premier objectif d’étudier les propriétés physico-chimiques de l’ettringite et les mécanismes réactionnels lors des processus d'hydratation (formation d’ettringite) et de déshydratation (formation de méta- ettringite). Les connaissances acquises lors de ces travaux de thèse, vis-à-vis de la cinétique des réactions et des diagrammes thermodynamiques (Déshydratation: Ett30.6 → Ett30 → Met12 → Met6; Hydratation: Met7.4 → Met12 →hydrate de 24H2O→ hydrates supérieurs), permettront ainsi de mieux utiliser l'ettringite pour stocker/déstocker de la chaleur (à différentes conditions isothermes et isobares). Après avoir étudié les propriétés de l'ettringite pure, trois liants cimentaires distincts pouvant être produits industriellement ont été utilisés afin de tester des teneurs en ettringite différentes mais aussi des mélanges de phases hydratées particulières. Les travaux effectués ont permis d’étudier les mécanismes de carbonatation de ces différents matériaux ettringitiques et de déduire plusieurs informations pertinentes quant à leur durabilité dans le cadre d’une utilisation en tant que TCES. Enfin, le matériau cimentaire ettringitique le plus résistant au phénomène de carbonatation a été caractérisé par différentes techniques d’analyse afin de mieux maitriser l’influence des paramètres thermo-physiques sur sa performance énergétique. Ce matériau a ensuite été incorporé dans un réacteur à lit fixe, sous la forme d’un lit poreux de 56 mm de hauteur composé de granulés de 1 à 2 mm de diamètre. Le processus de chargement/déchargement de l'énergie a été réalisé pour étudier la réversibilité du couple ettringite/méta-ettringite dans diverses conditions expérimentales. Les essais réalisés dans le réacteur ont alors montré qu’une puissance instantanée maximale de 915 W par kg de matière hydratée initiale et une densité de déstockage d'énergie de 176 kWh/m3 pouvaient être obtenues. Ces données seront très utiles pour envisager un futur prototype (à l’échelle 1:1) d’un système de chauffage contenant de l’ettringite et destiné aux bâtiments.