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Réacteurs thermochimiques
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Les réacteurs thermochimiques sont les organes dans lesquels ont lieu les réactions de synthèse et de décomposition utiles au fonctionnement d'un procédé thermochimique.
Cet articles fait l'objet d'un développement des technologies de réacteur utilisées et étudiées.
Les réactions mises en jeu dans les réacteurs thermochimiques sont explicitées dans la page cycle thermochimique pour la production de froid.
Différentes technologies de réacteur
modifierL’enjeu principal de la fabrication du réacteur réside dans la qualité des transferts thermiques et de matière entre le fluide de travail et le solide réactif[1].
Il existe plusieurs types de réacteurs[2] qui se différencient selon la manière dont le réactif est inséré dans ceux-ci. Des lits à empilement (dits fixes), fluidisés et à entraînement comme l'illustre le schéma ci-dessous.
Lits fixes
modifierLes avantages du lit fixe sont la simplicité de mise en œuvre. Des prototypes expérimentaux ont été développés par le laboratoire PROMES CNRS[3].
Aspects techniques
modifierComme le montre la figure ci-contre, le flux de gaz alimente le réacteur à l'état initial déchargé. Dans cette configuration, plusieurs étages de sel réactif poreux sont empilés, permettant au gaz de se synthétiser au contact du sel réactif. L'inconvénient principal de ces réacteurs réside dans la perméabilité du gaz puisque dans la phase de synthèse le volume du solide augmente, diminuant ainsi la capacité du gaz à se déplacer. Ainsi, la porosité du sel ne doit pas limiter l’avancement de la réaction[2]. De plus, des contraintes mécaniques qui varient localement peuvent intervenir dans ces conditions[4]. Cela peut amener au décollement du réactif préalablement introduit dans une matrice ce qui est à l'origine de l'endommageant du réacteur.
Le graphite naturel expansé (GNE) a été choisi pour assurer une forte porosité, conductivité et élasticité. La structure poreuse du GNE est illustrée par la figure ci-dessous. Le choix de la proportion de ce matériau résulte d’un compromis entre transferts de masse et de chaleur.
Sels utilisés
modifierLes sels principalement utilisés pour la production de froid basse température sont les chlorures métalliques et ammoniacates. Il est possible d’obtenir des puissances frigorifiques (SCP) de l’ordre de 700W/kg ainsi que des COP de 0,4[5]. En général, l’eau ou l’ammoniac constituent le fluide de travail même si ce dernier est corrosif et toxique. Le dihydrogène, l’éthanol, le méthanol, le dioxyde de carbone, le méthylamine, le diméthylamine ou le dioxyde de carbone peuvent également convenir à ces utilisations. D'autres couples sont formés en utilisant des sels tels que les halogénures de métal. Cela permet une valorisation jusqu'à 320°C. Les hydrures de métal permettent d'être valorisés jusqu'à 400°C mais le système est lourd car il nécessite beaucoup de solide pour absorber peu de dihydrogène.
Lit fluidisé
modifierLes lits fluidisés[6], basés sur le phénomène de fluidisation entre des particules solides et un gaz dans une enceinte en cycle ouvert, offrent l'avantage de garantir un coefficient d'échange plus élevé. C'est néanmoins une technologie difficile à mettre en œuvre qui nécessite un apport externe d'énergie pour faire fonctionner le système. De plus, l'érosion des particules est à prendre en compte.
Lit à entraînement
modifierLes lits à entrainement[6] sont, à l'image des lits fluidisés, des processus complexes à mettre en place. Ceux-ci sont néanmoins moins énergivores que cette dernière technologie même si certains dispositifs peuvent contenir une partie en mouvement.
Lit rotationnel
modifierLes lits rotationnels ont également été développés.
Analyse du cycle de vie
modifierUne analyse de cycle de vie a été mené[7], faisant l'inventaire des matériaux utilisés pour l'intégration d'un cycle thermochimique à une centrale solaire thermodynamique. Plusieurs modes d'intégration sont étudiés afin de déterminer leurs impacts respectifs. Il apparaît que les impacts sont en majorité causé par l'extraction des matériaux et leur transformation.
Application
modifierLe choix du couple réactif (solide-gaz) est primordial pour mettre en œuvre l'effet utile souhaité. Cela dépend de la source thermique disponible. Le fluide de travail est choisi en fonction de ses propriétés thermodynamiques, son coût économique ou sa toxicité.
Ces cycles permettent le stockage du fluide de travail sous forme liquide à la suite d'une condensation de la vapeur à haute pression en contact avec le puits ambiant.
Les cycles thermochimiques actuellement utilisés ou étudiés sont les suivants :
- cycle thermochimique pour la production de froid ;
- cycle thermochimique à cogénération de froid et d'électricité ;
- cycle thermochimique pour le stockage inter-saisonnier de l'énergie solaire ;
- cycle thermochimique pour le stockage d'énergie solaire concentrée (section Stockage de l'énergie)
Références
modifier- Benoît Michel. Procédé thermochimique pour le stockage intersaisonnier de l'énergie solaire : modélisation multi-échelles et expérimentation d'un prototype sous air humide. Génie des procédés. Université de Perpignan, 2012. Français. ⟨NNT : 2012PERP1107⟩. ⟨tel-00818838⟩
- Antoine Perrigot. Cycles thermochimiques hybrides à compression: application aux micro-réseaux de cogénération électricité/froid. Thermique [physics.class-ph]. Université de Perpignan, 2022. Français. ffNNT: 2022PERP0028ff. fftel-03992712f
- Nathalie Mazet, Benoit Michel, Pierre Neveu, Gabriel Boulnois, Driss Stitou, et al.. REACTEUR THERMOCHIMIQUE POUR STOCKAGE THERMIQUE : ANALYSE DU FONCTIONNEMENT LOCAL. Journées Nationales de l’Energie Solaire, Jul 2014, Perpignan, France. ffhal-02190769f
- Nolwenn Le Pierrès. Procédé solaire de production de froid basse température (-28°C) par sorption solide-gaz. Energie électrique. Université de Perpignan, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00011253⟩.
- Aleix Pubill, Procédé thermochimique de production de froid de forte puissance pour application mobile. Etude et caractérisation de la dynamique du système, , 235 p. (lire en ligne)
- Ruby-Jean Clark, Abbas Mehrabadi, Mohammed Farid, State of the art on salt hydrate thermochemical energy storage systems for use in building applications, Journal of Energy Storage, Volume 27, 2020, 101145, ISSN 2352-152X, https://doi.org/10.1016/j.est.2019.101145.
- Ugo Pelay, Intégration d’un procédé de Stockage Thermochimique à un cycle de Rankine, sous Energie Solaire concentrée (In-STORES) (thèse de doctorat), Laboratoire de thermique et énergie de Nantes, , 232 p. (lire en ligne).