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Article

1 - CONTEXTE ET ENJEUX

2 - SYSTÈMES HÉTÉROGÈNES FLUIDE/SOLIDE

3 - MILIEUX NANOPOREUX LYOPHOBES

4 - POTENTIEL POUR LE STOCKAGE ET LA CONVERSION D’ÉNERGIE

5 - MÉCANISMES PHYSIQUES DANS LES MILIEUX NANOPOREUX LYOPHOBES

6 - DÉFIS ET PERSPECTIVES

7 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : RE266 v1

Contexte et enjeux
Accumulateurs à nanoporeux lyophobes

Auteur(s) : Cyril PICARD

Date de publication : 10 mai 2017

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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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ABSTRACT

Lyophobic nanoporous accumulator

Lyophobic nanoporous systems, which can be implemented as hydraulic accumulators, behave like antisponges. This article presents the nanoporous materials used as anti-sponges. It more broadly describes the working principle of lyophobic nanoporous systems and their underlying physics. The article also compares lyophobic nanoporous systems with current energy storage solutions to show their strengths and weaknesses. Perspectives for future improvements are also given.

Auteur(s)

  • 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.

Points clés

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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KEYWORDS

energy   |   nanoporous   |   hydrophobic   |   confined liquid

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-re266

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1. Contexte et enjeux

« Faire » c’est jongler avec l’énergie : chacune de nos activités repose sur un transfert d’énergie d’une forme à une autre. L’énergie nous échappe cependant au cours de ces échanges : sa dégradation inexorable, associée à la création d’entropie, se traduit in fine par sa dispersion dans le milieu ambiant. Manipuler habilement l’énergie afin de limiter sa dégradation et la maintenir lors de chaque transfert sous une forme exploitable ultérieurement c’est là tout l’enjeu de la gestion de l’énergie qui doit répondre aux problématiques de la conversion, du transport et du stockage de l’énergie sous différentes formes. Le stockage de l’énergie est aujourd’hui un verrou majeur au développement des énergies renouvelables, intermittentes, qui pourraient contribuer de manière significative au mix énergétique (voir [IN301] et [BE8090]).

Convertir un flux d’énergie d’une forme à une autre est souvent technologiquement possible. Constituer une réserve d’énergie capable d’absorber ou de délivrer une puissance variable reste souvent délicat. La réalisation d’un système de conversion est conditionnée principalement par un critère unique qu’est la puissance à transférer en régime permanent. La réalisation d’un système de stockage, en revanche, est contraint par plusieurs critères que sont la quantité d’énergie à stocker, les puissances à absorber et à débiter en régime transitoire et la durée sur laquelle l’énergie doit être stockée. Pouvoir disposer simultanément d’une haute densité énergétique, d’une durée...

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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).

  • (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).

  • (3) - ISRAELACHVILI -   Intermolecular and Surface Forces.  -  doi : 10.1017/CBO9781107415324.004 (2011).

  • (4) - BRÉCHIGNAC (C.), HOUDY (P.), LAHMANI (M.), éds -   Nanomaterials and nanochemistry  -  (2013).

  • (5) - DAÏAN (J.F.) -   Équilibre et transferts en milieux poreux  -  (2013).

  • (6) - FADEV (A.Y.), EROSHENKO (V.) -   Study of Penetration of Water into Hydrophobized...

1 Sites Internet

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

2 Brevets

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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