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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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Potentiel pour le stockage et la conversion d’énergie
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3. Milieux nanoporeux lyophobes
Les matériaux nanoporeux, qu’il s’agisse de gels de silice, de polymères poreux ou de zéolithes, présentent généralement une forte affinité pour les solvants courants, en particulier l’eau. Il est opportun de mentionner ici l’ambiguïté du terme « hydrophobe » qui parfois peut désigner un matériau nanoporeux dont la saturation en liquide est observée à une pression de vapeur « élevée » proche de la pression de vapeur saturante. Dans cette partie, seront présentées les voies de synthèse et les propriétés de matériaux d’intérêt pour les SHL dont l’hydrophobie est telle que leur remplissage ne peut avoir lieu qu’en phase liquide.
3.1 Matrices hydrophobes
Les matériaux nanoporeux d’intérêt sont en grande majorité constitués d’une structure de silice amorphe ou cristalline. On distinguera les matériaux dont la porosité repose sur l’assemblage de structures supramoléculaires pour former un réseau cristallin de pores, qui font partie du cadre des mésoporeux, de ceux dont la porosité repose directement sur la structure atomique cristalline du matériau qui, dans notre cas, font partie des microporeux. Parmi ces matériaux, certains sont disponibles à un coût rédhibitoire, pouvant dépasser 100 euros/g, principalement lié à l’absence de demande à grande échelle. Les matériaux analogues largement utilisés dans le domaine de la chimie sont, quant à eux, produits à la tonne à bas coût ce qui laisse présager une chute drastique du coût des matériaux d’intérêt pour les SHL si la demande augmente.
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Les structures mésoporeuses de silice sont amorphes et, à ce titre, propices à la présence de liaisons chimiques labiles à la surface des pores, responsables de la formation des groupements silanols hydrophiles. Les parois sont rendues hydrophobes par silanisation. Cette opération repose sur un greffage covalent, assisté par pyridine, d’alkysilanes à la paroi avec une densité de l’ordre de 1 à 2 greffons par nm–2. Le greffon octyldiméthylchlorosilane, constitué d’une chaîne de huit...
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Milieux nanoporeux lyophobes
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).
Galaitsis. Heterogeneous Lyophobic system for accumulation, retrieval and dissipation of energy, US2006/0246288 (2006).
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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