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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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7. Glossaire
Ligne triple ; triple line
Ligne d’intersection entre trois interfaces, dans le cadre de cet article il s’agit de l’intersection entre les interface solide/liquide, solide/vapeur et liquide/vapeur.
Mouillage ; wetting
Phénomène correspondant à la formation d’une interface solide/liquide couplée à la suppression de l’interface solide/vapeur par translation de la ligne triple à la surface du solide ; l’étalement d’un liquide sur une surface solide est un exemple de mouillage.
Lyophobe ; lyophobic
Se dit d’un solide présentant une faible affinité pour un liquide environnant, un solide est considéré comme lyophobe si, en présence d’une ligne triple, l’angle de contact est supérieur à 90˚.
Mésoporeux ; mesoporous
Matériaux poreux dont le rayon de pore est compris entre 1 et 25 nm.
Microporeux ; microporous
Matériaux poreux dont le rayon de pore est inférieur à 1 nm.
Intrusion forcée ; forced intrusion
Remplissage forcé en liquide d’une structure poreuse lyophobe, pour les structures mésoporeuses, l’intrusion forcée correspond à un phénomène de mouillage forcé de la paroi des pores.
Extrusion spontanée ; spontaneous extrusion
Phénomène d’éjection spontanée d’un liquide hors des pores d’une structure nanoporeuse lyophobe. Pour les structures mésoporeuses, l’extrusion spontanée est appelée « séchage capillaire » et correspond à un phénomène de démouillage spontané.
Systèmes nanoporeux lyophobes ; lyophobic nanoporous systems
Les systèmes nanoporeux lyophobes encore appelés « systèmes hétérogènes lyophobes » sont des systèmes qui tirent profit de l’intrusion forcée et de l’extrusion spontanée d’un liquide dans et hors de pores d’une structure méso ou microporeuse lyophobe pour disposer d’une réserve de liquide sous pression de manière partiellement ou totalement réversible.
Nucléation ; nucleation
Apparition à l’échelle moléculaire d’une phase supplémentaire à celles initialement présentes. La nucléation d’une bulle de vapeur correspond à la formation d’une phase vapeur au sein d’un...
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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/.
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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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