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RÉSUMÉ
Les systèmes nanoporeux lyophobes, utilisables comme accumulateurs hydrauliques, s’apparentent à des anti-éponges. Les matériaux nanoporeux, employés comme anti-éponges, sont présentés dans cet article qui vise plus largement à décrire le principe de fonctionnement des systèmes nanoporeux lyophobes et les mécanismes physiques qui leurs sont sous-jacents. L’article s’attache par ailleurs à comparer les systèmes nanoporeux lyophobes aux solutions de stockage et de conversion d’énergie actuelles, de façon à établir leurs points forts et leur limitations. Les aspects exploratoires et perspectives en vue de futures améliorations sont également abordés.
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Cyril PICARD : Maître conférences à l’université Grenoble-Alpes - Laboratoire interdisciplinaire de Physique, Grenoble, France
INTRODUCTION
Le développement de nouveaux matériaux nanoporeux de grande surface spécifique permet aujourd’hui l’essor de nouveaux modes de stockage d’énergie. Ainsi, l’adsorption de gaz au sein de matériaux nanoporeux ouvre de nouvelles perspectives aussi bien pour le stockage d’énergie chimique, par fixation réversible d’une espèce telle que l’hydrogène, que pour le stockage d’énergie thermique associée à la chaleur d’adsorption exothermique et de désorption endothermique. Dans ce contexte, les systèmes nanoporeux lyophobes tirent profit des matériaux nanoporeux pour le stockage d’énergie mécanique. L’énergie est stockée par intrusion forcée d’un liquide non mouillant dans un matériau nanoporeux et restituée par expulsion spontanée du liquide sous pression hors des pores. Cette approche originale permet de convertir de l’énergie hydraulique en énergie interfaciale de manière directe et réversible. La pression est fixée par le couple liquide/nanoporeux employé et s’avère peu dépendante à la fois du taux de remplissage de la matrice en liquide et de la durée de l’intrusion ou de l’extrusion. Ces systèmes permettent ainsi un transfert rapide d’énergie avec une densité de puissance plus d’un ordre de grandeur supérieure à celle des solutions de stockage actuelles.
Après avoir précisé le principe de fonctionnement des systèmes nanoporeux lyophobes, seront détaillées les caractéristiques des matériaux nanoporeux employés pour les réaliser. L’article vise ensuite à présenter le potentiel de ces nouveaux systèmes pour le stockage et la conversion d’énergie en les plaçant en regard des solutions de stockage d’énergie disponibles à ce jour. Les mécanismes physiques à l’œuvre au sein des nanopores, à l’origine du comportement spécifique des systèmes nanoporeux lyophobes, sont alors abordés. L’article dresse pour finir un panorama des défis à relever en vue du développement de ces systèmes.
Domaine : Technique pour le stockage et la conversion d’énergie
Degré de diffusion de la technologie : Émergence
Technologie impliquée : Technologie des systèmes hydrauliques
Domaine d’application : Actionneurs, stockage d’énergie à haute densité de puissance, récupération d’énergie au freinage
Principaux acteurs français : Université Blaise Pascal, Université Grenoble-Alpes, Université de Haute-Alsace.
Autres acteurs dans le monde : National University of Ukraine, Fukuoka Institute of Technology, University of California San Diego
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Présentation
Mécanismes physiques dans les milieux nanoporeux lyophobes
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4. Potentiel pour le stockage et la conversion d’énergie
Les solides nanoporeux couvrent une large gamme de taille de pores. Les systèmes à base de MTS mésoporeux de rayon supérieur à 5 nm présentent de forts phénomènes d’hystérésis et à ce titre s’avèrent propices à la réalisation d’absorbeurs de choc. Les MTS et CPG greffés dans la gamme 1-3 nm de rayon présentent un comportement réversible avec hystérésis et sont adaptés à une fonction d’amortissement. Les matériaux microporeux, quant à eux, présentent généralement un comportement avec très faible hystérésis d’intérêt, comme nous allons le voir, pour le stockage/restitution rapide d’énergie mécanique d’une part mais également pour la réalisation de nouvelles machines thermiques d’intérêt pour la récupération d’énergie à partir d’une source de chaleur basse température et enfin de potentiels systèmes de production d’électricité.
4.1 Stockage d’énergie mécanique
L’utilisation la plus immédiate des SHL sans hystérésis concerne la mise en œuvre d’accumulateurs d’énergie mécanique (figure 17). L’énergie étant stockée à l’interface, les SHL peuvent être vus comme les analogues mécaniques des supercapacités électriques. Leur comportement se distingue toutefois de celui de l’ensemble des solutions existantes ; Les SHL présentent tout comme les supercapacités une réactivité élevée lors des phases de stockage/restitution de l’énergie.
HAUT DE PAGE4.1.1 Comportement et performances des systèmes nanoporeux lyophobes
Cinq traits caractéristiques pourront être considérés comme communs à l’ensemble des SHL.
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Un fonctionnement à pression quasi constante au cours de l’accumulation et de la restitution du liquide indépendamment de la vitesse de sollicitation en partie grâce à un accès aisé à la nanoporosité par la surface de chaque grain de poudre de taille micrométrique. La variation de pression reste inférieure à...
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Potentiel pour le stockage et la conversion d’énergie
BIBLIOGRAPHIE
-
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(2) - BABIN (J.) et al - MCM-41 silica monoliths with independent control of meso- and macroporosity, - New J. Chem. 31.11, p. 1907. doi : 10.1039/b711544j (2007).
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(3) - ISRAELACHVILI - Intermolecular and Surface Forces. - doi : 10.1017/CBO9781107415324.004 (2011).
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(4) - BRÉCHIGNAC (C.), HOUDY (P.), LAHMANI (M.), éds - Nanomaterials and nanochemistry - (2013).
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(5) - DAÏAN (J.F.) - Équilibre et transferts en milieux poreux - (2013).
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(6) - FADEV (A.Y.), EROSHENKO (V.) - Study of Penetration of Water into Hydrophobized...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Pierre Odru. Stockage de l’énergie. 2016. url : http://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/conferences-en-ligne/stockage-de-lenergie/.
Data Base of Zeolite Structures : http://www.iza-structure.org/databases/.
ZEOMICS (Zeolites and Microporous Structures Characterization) : http://helios.princeton.edu/zeomics/.
MOFomics (Metal-Organic Frameworks Characterization) : http://helios.princeton.edu/mofomics/.
HAUT DE PAGE
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Valentin Eroshenko. Heterogeneous structure for accumulating or dissipating energy, method of using such a structure and associated divices, WO9618040 (1996).
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Yu Qiao. Nanoporous materials for use in the conversion of mechanical energy and/or thermal energy into electrical energy, US 2009/0243428 A1 (2009).
Michel Soulard et Joël Patarin. Process for high-pressure energy storage by solvation/desolvation and associated storage device, WO2012164218 A1 (2012).
Valentin Eroshenko. Vitually oil-free shock absorber having high dissipative capacity, PCT/EP2011/065488 (2013).
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