Soutenance mémoire
La demande en énergie a augmenté dans le monde entier dans le but d’assurer le confort thermique (chauffage/climatisation) des bâtiments. En effet, la consommation d’énergie dans les bâtiments est supérieure à celle des autres domaines tels que le transport et l’industrie. Les consommations d’énergie sont couvertes en grande partie par les combustibles fossiles qui sont disponibles en quantités limitées et leur utilisation induit des émissions de gaz à effet de serre qui conduisent au réchauffement climatique. Ceci nous incite à trouver des sources d’énergie renouvelables, et des moyens efficaces pour stocker l’énergie.
De nouveaux matériaux synthétiques de dimensions nanométriques et propriétés uniques ont été largement explorés pour trouver de nouvelles solutions de production et de stockage de l’énergie [Zhang et al., 2015 ; Hwan et al., 2019 ; Sun et al., 2019 ; Norouzi et al., 2019 ; Zhang et al., 2017]. Des nanomatériaux poreux avec différentes morphologies, ont été fabriqués à partir du carbone, du silicium et les polymères [Fong et al 2017; Shi et al., 2015; He et al., 2019 ; Gigantino et al., 2019 ; Badenhorst et al., 2019 ; Luo et al., 2019 ]. Cependant, les principaux inconvénients de ces matériaux synthétiques sont le coût de production élevé, l’utilisation de produits chimiques toxiques et la production de déchets dangereux avec un impact environnemental significatif. Pour résoudre ces problèmes, une attention particulière a été accordée au remplacement de ces matières dangereuses par des matériaux naturels ou des biomatériaux, qui offrent un faible coût de traitement et un impact mineur sur l’environnement et la santé. Parmi les biomatériaux naturels on cite la diatomite .
La diatomite est une roche sédimentaire friable, formée par l’accumulation de squelettes de diatomées qui sont des algues unicellulaires à parois de silice. En raison de sa structure poreuse, la diatomite présente une faible densité, une grande surface spécifique, une grande capacité d’absorption et une inertie chimique [Şan et al., 2009 ; Ediz et al., 2010 ; Liu et al., 2013]. Elle est utilisée dans plusieurs domaines notamment l’optique, la catalyse, la séparation moléculaire, la filtration, l’adsorption, les bioencapsulations ainsi que le stockage de l’énergie [Yu et al., 2011, Bao et al., 2011]. Dans le domaine de l’énergie, la diatomite est utilisée dans les batteries de Lithium [Shen et ai., 2014 ; Wang et al., 2012], les cellules solaires [Jeffries et al., 2008 ; Chen et al., 2015], le stockage d’hydrogène [Milovanovic et al., 2008] et le stockage thermique [Guo et al., 2018 ; Rao et al. 2018 ; Qian et al., 2015]. Le stockage d’énergie thermique comporte le stockage thermochimique, le stockage sensible et le stockage latent. Ce dernier est basé sur les matériaux à changement de phase (MCP).
Les matériaux à changement de phases (MCP) ont la capacité de stocker de l’énergie solaire durant la journée et la restituer durant la nuit. Ils sont de types organiques, inorganiques et eutectiques. Les matériaux composites intégrant les MCP peuvent être incorporés dans les matériaux de construction en réglant les températures dans les bâtiments et en augmentant leur inertie thermique. Néanmoins, le problème de fuite du liquide au cours du processus de changement de phase solide-liquide limite l’application du MCP [Zhang et al., 2013]. Pour cela, des étuis spéciaux de forme sphérique ou des échangeurs de chaleur sont nécessaires pour encapsuler le MCP. Toutefois, à cause de leur coût élevé, les MCP doivent être imprégnés dans un matériau poreux. De ce fait, la recherche repose sur la fabrication de nouveaux matériaux aux propriétés thermiques intéressantes. Parmi les matériaux poreux qui peuvent être utilisés comme supports pour la stabilisation des MCP, la diatomite et le kaolin.
Stockage de l’énergie
L’épuisement rapide des énergies fossiles, l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre et le réchauffement climatique nous incite à trouver des solutions nouvelles moins consommatrices d’énergie et moins polluantes pour l’environnement. Ainsi, le besoin de stockage de l’énergie est une réponse à des considérations d’ordre économique, environnemental, géopolitique et technologique. En effet, le stockage de l’énergie présente beaucoup d’intérêt pour parvenir à une gestion optimale des ressources et de la consommation afin de répondre aux problèmes de la demande énergétique croissante dans les différents secteurs commercial, industriel et résidentiel. Le stockage de l’énergie consiste à préserver une quantité d’énergie pour une utilisation ultérieure, ou le stockage de matière contenant l’énergie. Les méthodes de stockage dépendent du type d’énergie. Il existe diverses formes de stockage d’énergie à savoir, cinétique, électrique, solaire, etc. (Figure I.1). Par conséquent, le choix de la forme du stockage dépend de plusieurs paramètres notamment la nature de l’énergie qui doit être stockée.
Stockage sous forme cinétique
Le principe du volant d’inertie permet de stocker de l’énergie sous forme cinétique de rotation. Un volant d’inertie est constitué d’une masse (disque, anneau ou tube) entraînée par un moteur électrique qui convertit l’énergie électrique entrante en énergie cinétique. L’énergie stockée est ensuite récupérée en freinant la masse en mouvement lors du déstockage. Les vitesses de rotation élevées entraînent des contraintes importantes sur les masses qui peuvent se rompre, provoquant alors la destruction immédiate du volant. Donc, l’élément primordial du choix du matériau de la masse est sa résistance à la rupture. Le stockage sous forme cinétique présente plusieurs avantages dont le haut rendement, c’est-à-dire 80% environ de l’énergie absorbée pourra être restituée, la phase de stockage est plus rapide comparée à une batterie électrochimique, le temps de réponse est très court, sa technologie est fiable et nécessite peu d’entretien, et il ne présente aucune pollution. Toutefois, son inconvénient majeur réside dans le temps de stockage qui est limité à 15 minutes environ.
Stockage sous forme électrochimique
Comme l’électricité ne peut être stockée directement, alors il est nécessaire de convertir l’énergie sous d’autres formes. Ainsi, l’énergie peut être stockée sous forme électrochimique en utilisant des batteries et des piles. Ce type de stockage est basé sur une réaction chimique à l’interface des électrodes (conducteurs électronique) et d’électrolyte (conducteur ionique) lors du transfert de charge composé d’un ou plusieurs électrons. L’électricité est donc stockée et déstockée directement par l’oxydoréduction pour les batteries, ou l’électrolyse de l’eau dans le cas de la pile à hydrogène [Mahlia., 2014]. L’amélioration des performances des batteries passe par la synthèse de nouveaux matériaux performants, et un meilleur contrôle des interfaces matériau/électrolyte.
Stockage de l’énergie solaire
Le stockage de l’énergie solaire peut se faire sous forme électrique à partir des panneaux solaires photovoltaïques et sous forme thermique. Le principe des cellules solaires est basé sur l’effet photovoltaïque obtenu par l’absorption des photons dans un semiconducteur qui génère des paires électrons-trous créant ainsi un courant électrique. Les cellules solaires sont principalement produites à partir du silicium, du tellure de cadmium (CdTe) et des alliages cuivre Indium/Gallium sélénium (CuIn/GaSe). Toutefois, Le stockage sous forme thermique nécessite l’utilisation de capteurs solaires qui permettent la conversion du rayonnement électromagnétique émis par le soleil en chaleur, et le transfert de cette énergie calorifique en la cédant à un fluide caloporteur. Les principaux axes de recherche portent sur les matériaux dont il convient de diversifier l’offre, d’augmenter la durée de vie et d’améliorer les propriétés thermophysiques (température, rendement, …).
Stockage d’hydrogène
L’hydrogène est un vecteur d’énergie propre, renouvelable et hautement énergétique. L’hydrogène peut être stocké à l’état gazeux, liquide ou solide. Le stockage à l’état gazeux consiste à utiliser des microsphères en verre ou des réservoirs métalliques (cuivre, aluminium) ou non métalliques (plastique), sous forme cylindrique pour la tenue mécanique [Mori et al.,2007]. Le stockage à l’état liquide nécessite des réservoirs cryogéniques performants [Sahli., 2015]. Ces réservoirs sont en acier et ont une forme généralement sphérique. Le stockage sous forme solide consiste à conserver l’hydrogène au sein d’un autre matériau via de fortes liaisons comme l’alanate de sodium (NaAlH4) et le borohydrure de lithium (LiBH4), ou de faibles liaisons où l’hydrogène est physisorbé sur des substrats poreux ou laminaires par des liaisons de type Van der Waals. Parmi ces matériaux, on cite les nanotubes de carbones et les zéolithes.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Synthèse bibliographique
I.1 Stockage de l’énergie
I.1.1 Stockage sous forme cinétique
I.1.2 Stockage sous forme électrochimique
I.1.3 Stockage de l’énergie solaire
I.1.4 Stockage d’hydrogène
I.2 Stockage de l’énergie thermique
I.2.1 Stockage thermochimique
I.2.2 Stockage par chaleur sensible
I.2.3 Stockage par chaleur latente
I.2.4 Matériaux à changement de phases
I.3.1 Phénomènes ayant un impact sur l’efficacité du stockage
I.3.1.1 La surfusion
I.3.1.2 La surchauffe
I.3.1.3 La dilatation
I.3.2 Classification des matériaux à changement de phases
I.3.2.1 MCP organiques
I.3.2.1.1 Les acides gras
I.3.2.1.2 Les esters
I.3.2.1.3 Les alcools
I.3.2.2 MCP inorganiques
I.3.2.2.1 Les hydrates de sels
I.3.2.2.2 Les sels
I.3.2.2.3 Les métaux
I.3.2.3 MCP eutectiques
I.3.3 Critères de choix d’un MCP
I.3.4 Techniques de conditionnement des MCP
I.3.4.1 L’encapsulation
I.3.4.1.1 Micro-encapsulation
I.3.4.1.2 Macro-encapsulation
I.3.4.2 MCP à forme stabilisée
I.3.4.3 L’imprégnation du MCP
I.4 La diatomite
I.4.1 Utilisation de la diatomite
I.5 Le kaolin
Chapitre II : Matériaux et techniques expérimentales
II.1 Elaboration des composites
II.1.1 Matériaux de départ
II.1.1.1 Diatomite
II.1.1.2 Kaolin
II.1.1.3 Paraffine
II.1.1.4 Matériaux pour la fabrication du ciment
II.1.2 Optimisation du MCP
II.1.3 Elaboration des composites
II.1.4 Préparation du ciment
II.2 Techniques de caractérisation
II.2.1 Analyse thermique
II.2.1.1 Calorimétrie différentielle à balayage
II.2.1.2 Analyse Thermo-Gravimétrique
II.2.2 Microscope électronique à balayage
II.2.3 Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier
II.2.4 Diffraction des rayons X
II.2.4.1 Méthode de Rietveld
II.2.5 Fluorescence des rayons X
II.2.6 Méthode Brunauer-Emmet-Teller
Chapitre III : Résultats et discussions
III.1.1 La diatomite
III.1.1.1 Caractérisation de la diatomite
III.1.1.1.1 Structure de la diatomite
III.1.1.1.2 Analyse par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier
III.1.1.1.3 Analyse thermique
III.1.1.1.4 Analyse morphologique
III.1.2 Le kaolin
III.1.2.1 Analyse par diffraction des rayons X
III.1.3 Le matériau à changement de phase : paraffine
III.1.3.1 Analyse thermique
III.1.3.2 Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier
III.2.1 Composites diatomite/paraffine
III.2.1.1 Morphologie des composites
III.2.1.2 Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier
III.2.1.3 Stabilité thermique des composites
III.2.2 Composites à base de la cire de paraffine
III.3.1 Leciment
III.3.2 Le clinker
III.3.3 Le gypse
III.3.4 Le sable
III.3.5 La consistance
III.3.6 La résistance à la compression
III.4 Conclusion
Conclusion générale
