Écoulements et mélange dans les batteries à métaux liquides

Flows and mixing in liquid metal batteries

• Auteur / Autrice : Sabrina Bénard
• Direction : Caroline Nore, Wietze Herreman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 02/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire interdisciplinaire des sciences du numérique (Orsay, Essonne ; 2021-....) - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Bérengère Podvin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Alboussière, Alban Pothérat, Marie-Charlotte Renoult
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Alboussière, Alban Pothérat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul intensif (informatique)

Magnétohydrodynamique

Modélisation CFD

Analyse numérique

Métaux liquides

Mots clés libres

Batterie à métaux liquides

Analyse numérique

Mécanique des fluides

Magnétohydrodynamique

Calcul haute performance

Liquid metal battery

Numerical analysis

Fluid mechanics

Magnetohydrodynamics

High performance computing

Résumé

Les batteries à métaux liquides (BMLs) sont une solution prometteuse pour le stockage à grande échelle des énergies renouvelables qui sont produites de manière intermittente. Ces BMLs sont moins chères et peuvent fonctionner plus longtemps que les batteries habituelles. Elles sont composées de trois couches : une électrode négative en métal liquide, un électrolyte en sel fondu et une électrode positive, alliage formé avec le métal liquide supérieur. Les BMLs sont des systèmes multiphysiques dans lesquels des instabilités magnétohydrodynamiques se produisent et des écoulements apparaissent pendant le fonctionnement. Les écoulements peuvent être néfastes, car ils peuvent déformer les interfaces jusqu'à induire un court-circuit. Ils peuvent cependant aussi être utiles pour mélanger l'alliage, ce qui limite la chute du potentiel de la cellule. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur le problème du mélange de l'alliage.Nous présentons d'abord des contributions pré-doctorales. Dans une première partie, nous étudions l'effet de la flottabilité solutale sur l'écoulement electrovortex. Nous montrons que, pendant la décharge, cet écoulement n'est pas assez intense pour s'opposer à la flottabilité et donc ne peut pas mélanger l'alliage. Cependant, l'écoulement electrovortex tournant, qui se produit sous l'action d'un champ magnétique externe, mélange efficacement l'alliage. Pendant la charge, se met en place de la convection solutale qui est vraiment efficace pour mélanger l'alliage. La flottabilité solutale a alors une influence significative sur l'écoulement. Dans une seconde partie, nous étudions le transfert de gouttes de l'électrode négative vers l'électrode positive. Nous montrons que, selon les prototypes, le détachement et le transfert de gouttes peuvent se produire au cours du fonctionnement. Dans certains cas, cela peut conduire à des courts-circuits.Ensuite, nous caractérisons l'écoulement electrovortex tournant. Nous menons une étude numérique paramétrique tridimensionnelle et axisymétrique afin de mieux comprendre les différents régimes d'écoulement. Nous choisissons comme prototype un cylindre rempli d'un métal liquide et connecté symétriquement à deux fils, ce qui crée un écoulement similaire à l'écoulement de von Kármán. Nous analysons l'impact des différents paramètres sur l'intensité de l'écoulement et fournissons des lois d'échelle.Nous nous intéressons par la suite à l'amélioration de notre modèle pour les BMLs. Pour cela, le potentiel électrique doit être considéré comme une variable locale dans les équations, et non pas calculé en post-traitement comme fait dans nos études précédentes. La distribution du potentiel électrique est influencée par un saut de potentiel qui apparaît à l'interface alliage-électrolyte. Ce saut affecte les distributions de courant et de concentration. Cependant, notre solveur est basé sur une formulation en champ magnétique et ne calcule pas le potentiel électrique. Nous déterminons une nouvelle condition d'interface, en utilisant la variable de champ magnétique, qui modélise les distributions de potentiel discontinues à une interface. Nous validons numériquement cette nouvelle formulation.Ensuite, nous implémentons la concentration dans ce modèle et étudions l'impact du saut de potentiel sur la composition de l'alliage. Nous montrons que ce saut affecte modérément la distribution de la concentration, mais influence le potentiel de la cellule. Il est alors plus exact de considérer le saut dans le modèle.Dans la dernière partie, nous étudions les écoulements électrocapillaires qui apparaissent en raison du saut de potentiel électrique, qui modifie localement la tension de surface. Nous montrons que la flottabilité solutale a un impact significatif sur l'écoulement, localisé dans une petite zone proche de l'interface alliage-électrolyte. L'écoulement est capable de mélanger cette zone et de limiter la chute du potentiel de la cellule.

Liquid metal batteries (LMBs) are a promising solution for large-scale energy storage of renewable energies, which are produced in an intermittent way. These LMBs are cheaper and have a longer lifetime than usual batteries. They are composed of three layers: a negative electrode in liquid metal, an electrolyte in molten salt, and a positive electrode which alloys with the top liquid metal. LMBs are multi-physical systems where magnetohydrodynamics instabilities occur and flows appear during operation. Flows can be detrimental, as they can deform the interfaces until a short circuit appears. They can however also be useful for mixing the alloy, which limits the drop of the cell potential. In this thesis, we focus on the mixing problem of the alloy phase.We first present pre-thesis contributions. In the first part, we study the effect of solutal buoyancy on the electrovortex flow. We show that, during discharge, this flow is not intense enough to counteract the buoyancy, and then not able to mix the alloy. However, swirling electrovortex flow, which is driven when an external magnetic field is applied, mixes efficiently the alloy. During charge, solutal convection occurs, which is really efficient to mix the alloy. Solutal buoyancy has then a really significant influence on the flow. In the second part, we study the droplets transfer from the negative electrode to the positive electrode. We show that, depending on the prototypes, droplet detachment and transfer can occur during operation. In certain cases, it can lead to short circuits.Later, we characterize the swirling electrovortex flow. We conduct a three-dimensional and axisymmetric numerical parametric study in order to better understand the different flow regimes. We choose for the prototype a cylinder filled with a liquid metal and symmetrically connected to two wires, which drives a flow similar to the von Kármán flow. We analyze the impacts of different parameters on the flow intensity and provide scaling laws.Then, we are interested in improving our model for LMBs. For this purpose, the electrical potential should be considered as a local variable in the equations, and not computed in post-processing as done before in our previous studies. The electrical potential distribution is impacted by a jump in potential which appears at the interface alloy-electrolyte. This jump affects the current and concentration distributions. However, our solver is based on a magnetic field-based formulation and does not compute the electrical potential. We determine a new interface condition using the magnetic field variable modeling discontinuous potential distributions at an interface. We validate numerically this new formulation. Then, we implement the concentration in this model and investigate the impact of the jump in potential on the alloy composition. We show that this jump affects moderately the concentration distribution, but influences the cell potential. It is then more accurate to consider the jump in the model.In the last part, we study electrocapillary flows that appear due to the jump in electrical potential, which modifies locally the surface tension. We show that the solutal buoyancy impacts significantly the flow, which is localized in a small zone close to the alloy-electrolyte interface. The flow is able to mix this zone and to limit the drop of the cell potential.