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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
Contact : [email protected]
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6. Défis et perspectives
Les systèmes hétérogènes lyophobes présentent un potentiel d’application encore peu exploré. Leur comportement dynamique, remarquable par rapport à l’ensemble des technologies actuelles, est propice au stockage impulsionnel d’énergie mécanique avec une densité de puissance supérieure à 100 kW.L–1. L’énergie stockée peut être totalement, partiellement ou non restituée, ce qui permet de couvrir un large panorama d’applications allant du stockage réversible d’énergie à haut rendement (supérieur à 90 %), à la mise en œuvre de « puits » d’énergie pour l’amortissement de choc. Les phénomènes rattachés à la thermodynamique des interfaces, à l’électrostatique et à l’électrocinétique, couplés au mouillage dynamique en milieu confiné élargissent encore l’horizon des possibilités d’application.
Plusieurs entreprises travaillent à la mise en œuvre de ces systèmes, mais aucun dispositif commercial n’existe encore à ce jour.
Les systèmes microporeux qui présentent une hystérésis négligeable sont attractifs pour le stockage réversible d’énergie, cependant la compréhension limitée des phénomènes physiques en jeu au sein de ces systèmes est un verrou à lever pour permettre véritablement leur optimisation.
Un défi concerne l’augmentation de la fraction volumique nanoporeuse des matrices, tout en conservant une stabilité chimique et mécanique, ainsi que le contrôle de l’hystérésis des cycles d’intrusion/extrusion pour un couple solide/liquide donné. L’utilisation du phénomène osmotique est une piste en présence de matériaux microporeux sélectifs. Travailler à des pressions supérieures à 50 MPa constitue un frein à l’utilisation de systèmes hétérogènes lyophobes. Il est donc essentiel de disposer de couples liquide/solide présentant une hystérésis ajustable et en particulier faible à pression de moins de 50 MPa couplée à une fraction volumique nanoporeuse conséquente. Cette fraction volumique est en particulier grevée par la porosité macroscopique correspondant aux volumes morts entre les particules d’un solide pulvérulent ou entre les montants nanoporeux du squelette d’un solide monolitique. Cette macroporosité est indispensable à l’alimentation en fluide...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Di RENZO (F.) et al - Textural control of micelle-templated mesoporous silicates : the effects of co-surfactants and alkalinity, - Microporous Mesoporous Mater. 28, p. 437-446 (1999).
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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
Valentin Eroshenko. Hydrocapillary accumulator, F15B1/04 (1980).
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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