Pc2TES

Peritectic compounds for compact thermal energy storage at high temperatures

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Descriptif

Les composés péritectiques pour permettre le développement de technologies de stockage regroupant tous les avantages des technologies existantes ou en cours d’étude, sans toutefois en avoir les inconvénients.

L'objectif général du projet Pc2TES est le développement de ces nouveaux types de matériaux avec un potentiel élevé de stockage d'énergie thermique, compact et rentable, pour des applications à hautes températures. L'idée novatrice consiste à utiliser des composés chimiques formés lors de transitions péritectiques, transitions au cours desquelles l'énergie thermique est stockée selon deux processus consécutifs : un processus de fusion / solidification et une réaction chimique liquide / solide. Cette capacité à combiner différents types d'énergie (sensible, latente et chimique) dans un seul et même matériau fait des composés péritectiques des matériaux alternatifs particulièrement compétitifs.

Le terme péritectique se réfère aux réactions qui se produisent lorsqu’une phase liquide (L) réagit avec au moins une phase solide (α) pour former une nouvelle phase solide (β). La réaction est réversible et se produit à température constante. La phase formée (β) peut être aussi bien une solution solide ou une phase allotropique de l’un des constituants, ou encore un nouveau composé stœchiométrique. Dans de tels matériaux, l’énergie thermique sera chargée lors de deux processus successifs : un de fusion/solidification et un autre de réaction chimique liquide/solide. Lors d’un refroidissement (processus de décharge), la phase pro-péritectique α(s) commence à nucléer dès que la phase liquide atteint la température du liquidus et croît jusqu’à ce que la température péritectique soit atteinte. A ce stade, la phase liquide réagit avec α(s) pour former b(s). Lors d’une chauffe (processus de charge), β se décompose à la température péritectique en une phase liquide et la phase α qui finit par fondre entièrement.Ce concept, à notre connaissance, n'a jamais été proposé. Une étude préliminaire récente réalisée par l’I2M a permis d’établir que l’utilisation de ces composés pourrait mener à une technologie de stockage bien plus performante et économique que celles utilisées ou étudiées à l’heure actuelle. Ce projet se concentrera sur des plages de fonctionnement en température entre 300 et 600°C, ce qui permet de couvrir un large éventail d’applications. En comparaison avec l’état de l’art dans le domaine du TES à hautes températures, les principaux avantages attendus de l’usage des composés péritectiques sont les suivants :

Compacité : la densité énergétique effective fournie par la réaction liquide-solide menant au composé péritectique est attendue dans une gamme de 200-400 kWh/m3. Elle pourrait même atteindre les 400-650 kWh/m3 si l’on tient compte de l’énergie liée au changement de phase (fusion/solidification) du pro-péritectique. Ces valeurs sont comparables (voire supérieures) à celles relatives aux réactions gaz-solide actuellement à l’étude dans le monde; ce qui rend les péritectiques très attractifs pour des applications TES à grande échelle.
Simplicité de la technologie : Les phases solide et liquide formées lors de la formation du péritectique se séparent et se recombinent spontanément. De plus, le système de stockage fonctionne à pression atmosphérique, que l’on soit en processus de charge ou de décharge. Ainsi, on pourrait concevoir des systèmes de stockage consistant en un simple réservoir contenant le matériau en vrac dans lequel viendrait s’insérer un échangeur de chaleur.
Compétitivité économique : les coûts d’investissement, opératoires et de maintenance, seront ainsi beaucoup plus bas que ceux relatifs aux réactions gaz/solide. Par ailleurs, comme les densités énergétiques espérées sont bien plus élevées que celles correspondant aux systèmes basés sur des matériaux à changement de phase, on peut s’attendre à ce que les coûts d’investissement soient bien moindres que ceux des technologies basées uniquement sur l’énergie latente. Ils seront probablement comparables à ceux basés sur les systèmes de stockage par chaleur sensible les moins coûteux.