{"id":{"repo_id":"sherbrooke","oai_identifier":"oai:usherbrooke.scholaris.ca:11143/20685"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/sherbrooke/oai:usherbrooke.scholaris.ca:11143/20685","repository":{"repo_id":"sherbrooke","name":"Université de Sherbrooke","base_url":"https://usherbrooke.scholaris.ca/server/oai/request"},"display":{"title":"Developing a new nano-enhanced phase change material (NEPCM) for medium grade thermal energy storage","abstract":"Selon la demande croissante d'énergie et le besoin sociétal d'approches durables et respectueuses de l'environnement pour économiser de l'énergie, cette question se pose: comment pouvons-nous stocker plus d'énergie dans un espace plus petit avec moins d'équipements de support? Comment pouvons-nous coupler des systèmes énergétiques économes avec des ressources énergétiques conventionnelles et renouvelable, en particulier dans les zones reculées? Pour répondre à un tel besoin, des stockages d'énergie thermique ont été appliqués pour récupérer la chaleur perdue partout où elle est disponible et la convertir en énergie électrique utile ou pour être utilisée à des fins de chauffage. L'idée d'utiliser des matériaux à changement de phase (MCP) pour le stockage d'énergie provient de leurs propriétés exceptionnelles qui leur permettent d'économiser plus d'énergie sous forme de chaleur latente. Cela conduit à moins de matériel requis, à un espace de stockage plus petit et à moins d'équipements externes comme des pompes ou des ventilateurs. Cependant, les MCP ont un inconvénient, qui est leur faible conductivité thermique qui les empêche d'être largement utilisés dans les industries. Un tel inconvénient entraîne une charge et une décharge plus longues, ce qui est un problème où nous devons faire un équilibre entre l'offre et la demande d'énergie aux heures de pointe. Il existe plusieurs méthodes pour améliorer la conductivité thermique des MCP, notamment l'ajout de nanoparticules, mais la plupart d'entre elles entraînent une augmentation des coûts. Il existe également une lacune dans les connaissances existantes sur les MCP compatibles avec une de plage de températures élevées (plus de 100 °C). Par conséquent, dans ce projet, nous visons à améliorer de manière rentable les propriétés thermiques des MCP à haute température pour des stockages d'énergie thermique en utilisant des nanoparticules. En outre, étant donné que la faible conductivité thermique et la grande capacité énergétique des MCP posent des problèmes pour leur caractérisation, une étude axée sur la technique calorimétrique des MCP a été réalisée. Cette étude a été publiée dans le cadre d'un article de synthèse qui inclut à la fois la littérature et les expériences actuelles. Les propriétés des MCP, y compris les températures de transition et l'enthalpie pendant la fusion et la solidification, ainsi que la capacité calorifique pouvant être obtenue par calorimétrie différentielle à balayage, ont été couvertes dans cette étude. En outre, la représentation la plus pertinente d'un MCP, à savoir le graphique de l'enthalpie en fonction de la température, a été étudiée. Dans cette recherche, l'acide adipique a été choisi comme MCP organique et non dangereux. L'acide adipique peut stocker et libérer environ 250 J/g d'énergie thermique à 150 ℃. Une étude calorimétrique comparative de différentes puretés d'acide adipique (99% et 99,5%) et d'un équivalent chimique PT151® a été réalisée. L'acide adipique d'une pureté de 99% présente une meilleure performance thermique tout en étant disponible à un prix inférieur. Il a subi moins de 5% de perte d'enthalpie au cours de 150 cycles de fusion et de solidification. Outre les propriétés de stockage thermique des MCP, le transfert de chaleur à l'intérieur et à l'extérieur des MCP est d'une grande importance. La chaleur se propage dans le MCP par conduction jusqu'à ce que les premiers signes de fusion apparaissent. En poursuivant le processus de fusion, le mouvement convectif commence à se produire. Compte tenu de la dépendance de ces mouvements convectifs (convection naturelle) par rapport à la viscosité, la mesure rhéologique de l'acide adipique a été effectuée. Cette étude fournit une valeur précise de la viscosité à la fois dans la région liquide et dans la région de fusion. En outre, la comparaison des résultats rhéologiques et calorimétriques peut fournir un profil de changement de phase plus précis des MCP, ce qui est important pour leur application. Enfin, la faible conductivité thermique de l'acide adipique a été résolue par l'ajout de nanoparticules d'AlO(OH) et d'AlO(OH)@SiO2. Ces nanoparticules peuvent être synthétisées à l'aide d'une procédure non complexe, peu coûteuse et sûre. Les nanoparticules ont été dispersées à faible concentration (0,05, 0,1 et 0,2% en poids) dans de l'acide adipique fondu. La conductivité thermique de l'acide adipique pur a augmenté de ~20% et ~12% en présence d'AlO(OH) et d'AlO(OH)@SiO2. Selon l'analyse thermique calorimétrie différentielle à balayage et l'analyse thermogravimétrique (ATG), l'amélioration de la conductivité thermique a été obtenue sans diminution de l'enthalpie. En outre, la stabilité thermique de l'acide adipique a été améliorée par l'ajout de nanoparticules, et le degré de sous-refroidissement a diminué de 1.3 K.","abstract_html":"Selon la demande croissante d'énergie et le besoin sociétal d'approches durables et respectueuses de l'environnement pour économiser de l'énergie, cette question se pose: comment pouvons-nous stocker plus d'énergie dans un espace plus petit avec moins d'équipements de support? 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According to the increasing demand of this population for energy especially in the form of thermal energy, these questions arises: can one save more energy and protect the environment? To address such a need, Thermal Energy Storages (TES) have been applied to store surplus of thermal energy by solar power plant, to recover waste heat wherever it is available and to convert it into useful electrical energy or for heating purposes. The idea of using Phase Change Materials (PCM) for energy storage has been triggered by their outstanding properties that enables them to save considerable energy in the form of latent heat. This leads to less required material, smaller storage space, and fewer external equipment such as pumps or fans. However, PCMs have a drawback, which is their low thermal conductivity that prevents them from being widely used in industries. Such a drawback leads to longer charge and discharge that is an issue where it is required to make a balance between supply and demand of energy at peak times. There is also a gap in the existing knowledge on the PCMs compatible with high temperature range applications (over 100 ℃). Therefore, the aim of this project is to take the advantage of nanoparticles to improve the thermal properties of cost-effective PCMs at medium to high temperature range for TESs application. Additionally, since the low thermal conductivity and high energy capacity of PCMs bring some challenges in their characterization, a study with the focus on calorimetric technique of PCMs has been carried out. This study is published in the frame of a review paper that includes both literatures and the current experiments. The properties of PCMs including transition temperatures, enthalpy during both melting and solidification, and heat capacity that could be obtained by Differential Scanning Calorimetry (DSC) are covered in this study. Furthermore, the enthalpy graph as a function of temperature is studied, which is the most relevant representation of a PCM. In this research adipic acid has been selected as an organic, non-hazardous PCM. Adipic acid can store and release around 250 J/g of thermal energy at 150 ℃. A comparative calorimetric study of different purities of adipic acid (99% and 99.5%) and a chemical equivalent PT151® is carried out. Adipic acid with 99% purity shows a better thermal performance while it is available with lower price. It experienced less than 5% of enthalpy loss during 150 cycles of melting and solidification. Apart from PCM’s thermal storage properties, the heat transfer into and out of the PCMs is of high importance. Heat propagate into the PCM through the conduction until the first signs of melting appears. With continuing the melting process, the convective motion starts to take place. Considering the dependence of these convective motions (natural convection) on viscosity, the rheological measurement of adipic acid has been conducted. This study provides the accurate value of viscosity in both liquid and melting region. In addition, comparing the rheology and calorimetry results can provide a more accurate phase change profile of PCMs, which is important in their application. Finally, the low thermal conductivity of adipic acid has been addressed by adding AlO(OH) and AlO(OH)@SiO2 nanoparticles. These nanoparticles can be synthesized with a noncomplex, inexpensive and safe procedure. Nanoparticles are dispersed at low concentration (0.05, 0.1, and 0.2 wt.%) in melted adipic acid. The thermal conductivity of pure adipic acid increased by ~20% and ~12% in presence of AlO(OH) and AlO(OH)@SiO2. 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Un tel inconvénient entraîne une charge et une décharge plus longues, ce qui est un problème où nous devons faire un équilibre entre l'offre et la demande d'énergie aux heures de pointe. Il existe plusieurs méthodes pour améliorer la conductivité thermique des MCP, notamment l'ajout de nanoparticules, mais la plupart d'entre elles entraînent une augmentation des coûts. Il existe également une lacune dans les connaissances existantes sur les MCP compatibles avec une de plage de températures élevées (plus de 100 °C). Par conséquent, dans ce projet, nous visons à améliorer de manière rentable les propriétés thermiques des MCP à haute température pour des stockages d'énergie thermique en utilisant des nanoparticules. En outre, étant donné que la faible conductivité thermique et la grande capacité énergétique des MCP posent des problèmes pour leur caractérisation, une étude axée sur la technique calorimétrique des MCP a été réalisée. Cette étude a été publiée dans le cadre d'un article de synthèse qui inclut à la fois la littérature et les expériences actuelles. Les propriétés des MCP, y compris les températures de transition et l'enthalpie pendant la fusion et la solidification, ainsi que la capacité calorifique pouvant être obtenue par calorimétrie différentielle à balayage, ont été couvertes dans cette étude. En outre, la représentation la plus pertinente d'un MCP, à savoir le graphique de l'enthalpie en fonction de la température, a été étudiée. Dans cette recherche, l'acide adipique a été choisi comme MCP organique et non dangereux. L'acide adipique peut stocker et libérer environ 250 J/g d'énergie thermique à 150 ℃. Une étude calorimétrique comparative de différentes puretés d'acide adipique (99% et 99,5%) et d'un équivalent chimique PT151® a été réalisée. L'acide adipique d'une pureté de 99% présente une meilleure performance thermique tout en étant disponible à un prix inférieur. 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