Études de carbones fibreux pour le stockage compact d'énergie à haute température

Studies of fibrous carbons for high-temperature thermal energy storage

• Auteur / Autrice : Blagoj Karakashov
• Direction : Alain Celzard, Vanessa Fierro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Cuong Pham-Huu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Celzard, Vanessa Fierro, Sylvie Bonnamy, Philippe Poulin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cuong Pham-Huu, Sylvie Bonnamy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur -- Stockage

Matériaux à changement de phase

Matériaux hybrides

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Carbones fibreux

Caractérisation

Modification

Matériaux hybrides

Matériaux à changement de phase

Stockage d'énergie thermique

Fibrous carbons

Characterisation

Modification

Hybrid materials

Phase change materials

Thermal energy storage

Résumé

Dans cette thèse, des carbones fibreux d’origine renouvelable ou synthétique sous forme de structures poreuses souples ou rigides ont été étudiés en détail afin d’évaluer leur utilisation future comme matrices hôtes de matériaux à changement de phase pour des applications de stockage d’énergie thermique. Différents carbones fibreux commerciaux ont été classés par familles, leurs morphologies et leurs propriétés physiques et structurales ont été entièrement caractérisées, et leur stabilité chimique a été testée dans des sels de lithium fondus, avant et après dépôt chimique en phase vapeur de pyrocarbone. Des méthodologies classiques ou nouvelles ont été proposées pour caractériser les propriétés des carbones fibreux en ce qui concerne leur effet sur la préparation et les performances d’un matériau hybride: carbone / matériau à changement de phase. L’utilisation de différents modèles empiriques et analytiques a également été présentée afin de déterminer les grandeurs caractéristiques non directement mesurables de ces matériaux, telles que le module élastique des feutres souples et la tortuosité, et de valider la précision des résultats expérimentaux, tous avec un très bon caractère prédictif. L’attractivité des matériaux est due à leur: (i) légèreté et structure hautement poreuse, avec des propriétés physiques remarquables; (ii) résistance à l’oxydation; (iii) aptitude à être modifiés. En effet, il apparaît que des carbones fibreux avec des caractéristiques améliorées en termes de transfert thermique, résistance mécanique et stabilité chimique peuvent être obtenus et pourraient produire, sans perte sensible de porosité et donc de densité d’énergie thermique stockée, de meilleurs matériaux hybrides. Enfin, si les travaux présentés ici ont un impact direct sur la mise en œuvre future de carbones fibreux dans les applications de stockage d’énergie thermique, les résultats obtenus pourraient aussi être utilisés dans de nombreux autres domaines.

In this thesis, fibrous carbons of renewable or synthetic origin in the form of flexible or rigid porous structures were investigated in-depth in order to evaluate their future use as hosts of phase change materials for thermal energy storage applications. Various commercial fibrous carbons were sorted, their morphological, physical and structural properties were thoroughly characterised, and their chemical stability was tested in molten lithium salts, before and after chemical vapour deposition of pyrocarbon. Either traditional or novel methodologies were proposed to characterise the fibrous carbons properties with respect to their effect on the preparation and performances of a hybrid material: carbon / phase change material. The use of different empirical and analytical models was also presented in order to determine characteristic quantities that are not directly measurable, such as elastic modulus of soft felts and tortuosity, and to validate the accuracy of the experimental results, all having an excellent predictive character. The materials’ attractiveness is due to the examined: (i) lightweight and highly porous structure with remarkable physical properties; (ii) resistance to oxidation; (iii) ability of being modified. Indeed, it appears that fibrous carbons with improved characteristics in terms of heat transfer, mechanical strength and chemical stability can be obtained and should produce, without significant loss of porosity and thus of stored thermal energy density, better hybrid materials. Finally, while the work presented here has a direct impact on the future implementation of fibrous carbons in thermal energy storage applications, the results obtained might also be used for many other end-uses.