Brevet FR3135088A1 — publié le 20231103

Élaboration de matériaux composites de stockage d’énergie à partir d’une biomasse de résidu agricole : L’invention concerne un matériau composite de stockage d’énergie à base d’une biomasse de résidu agricole. Le matériau selon l’invention est réalisé de manière à exploiter le résidu solide et les extraits de la biomasse. L’invention concerne le traitement de la biomasse, le moulage et la fabrication d’un matériau support. Le matériau support peut être utilisé pour capter et stocker des molécules dans plusieurs domaines tels que la dépollution et/ou le stockage d’énergie (thermique, chimique). Le matériau support de l’invention peut renfermer des matériaux de stockage d’énergie thermique (MSE) tels que les matériaux à changement de phase (paraffines, biosourcés). Le matériau de cette invention résout le problème de fuite lors du changement de phase du matériau de stockage d’énergie. Le matériau support dans cette invention peut être enveloppé par un autre matériau pour renforcer et améliorer les caractéristiques du matériau composite de stockage d’énergie (support+MSE). Le matériau composite de stockage d’énergie de cette invention peut être fabriqué sous différentes formes. Le matériau composite de cette invention peut être appliqué dans plusieurs domaines (industrie, bâtiment, transport). Matériaux composites de stockage d’énergie à partir d’une biomasse de résidu agricole. L’invention se rapporte au domaine de l’efficacité énergétique et de l’intégration de nouveau composite à base de matériau support biosourcé (péricarpes de grenades) et des matériaux de stockage d’énergie MSE (thermique ou chimique) tels que des matériaux à changement de phase (paraffines, biosourcés). Ce matériau composite exploite des solutions alternatives et de nouvelles technologies pour le stockage de l’énergie. Il permet de capter et/ou stocker différents types de molécules (organiques, inorganiques, métaux, gaz). Le matériau composite de stockage d’énergie de cette invention peut être fabriqué sous différentes formes par moulage sous vide. Le matériau composite de cette invention réduit l’utilisation des systèmes énergivores et des polluants. Il permet de maîtriser la consommation de l’énergie dans les différents secteurs : industrie, bâtiment, transport. État de la technique antérieure L’exploitation de nouvelles sources d’énergie renouvelables et la maitrise de l'efficacité énergétique dans différents secteurs : industrie, bâtiment et transport, permettent la réduction de la consommation d'énergie et la protection de l’environnement. De nouvelles technologies sont développées telles que l’utilisation de nouvelles sources d’électricité (les biocarburants, l’énergie éolienne et solaire) et l’incorporation de nouveaux systèmes dans les procédés industriels (échangeur, chaudière…) ainsi que le conditionnement intérieur dans les matériaux de construction pour éviter les déperditions thermiques et réduire les consommations d’énergie. Une des nouvelles technologies prometteuses est l’utilisation des matériaux de stockage d’énergie thermique (MSE) : chimique, par chaleur sensible ou par chaleur latente. Le stockage d’énergie par chaleur latente est lié au changement d’état des corps : solide-liquide, solide gaz, liquide-gaz ou encore solide-solide. Ces transformations se produisent généralement à température et pression constantes et mettent en jeux des quantités d’énergie thermique considérables. L’exploitation de matériaux de stockage par chaleur latente, les matériaux à changement de phase (MCP), représente une alternative intéressante pour réduire la consommation d’énergie dans les applications de chauffage et de refroidissement des bâtiments, pour réduire les déperditions thermiques au niveau des procédés industriels tels que les échangeurs de chaleurs et aussi le conditionnement thermique dans d’autres domaines (médical, agriculture…) Diverses recherches innovantes, s’intéressent à trouver un compromis entre le conditionnement thermique et la minimisation de la consommation énergétique à travers la régulation des échanges thermiques via des Matériaux à Changement de Phase (MCP). Ces matériaux sont capables d’absorber la chaleur du milieu et de la restituer moyennant un changement d’état se passant à de faibles variations de température. L'incorporation de ces MCP dans des matrices supports se fait selon plusieurs méthodes comme l'intégration directe ou l'encapsulation. La première méthode présente plusieurs inconvénients tels que les fuites lors du changement de phase et les éventuelles réactions chimiques avec le milieu environnant. La deuxième méthode est très coûteuse. Par conséquent, selon l’application visée, l'enveloppe du MCP est choisie. Il doit assurer un bon transfert thermique, une bonne compatibilité, bonne étanchéité, une stabilité lors du changement de phase. Dans le domaine du bâtiment par exemple, les premiers panneaux de construction à climatisation passive ont été réalisés au Mexique. Des maisons passives avec des systèmes dits à gain direct sont fabriquées. En France, il a été réalisé le premier panneau plâtre-paraffine pour améliorer l’inertie des parois minces. Cependant l’inflammabilité et le suintement de cette paraffine non capsulées sur ces deux matériaux ont ralenti le développement de l’intégration des MCP dans le secteur du bâtiment. Puis vient l’élaboration des encapsulants qui garantissent une étanchéité parfaite évitant toute fuite du produit lorsqu'il est à l'état liquide. Depuis, l’utilisation des matériaux à changement de phase dans le bâtiment a fait l’objet d’études très poussées pour les constructeurs de bâtiments. Néanmoins les supports et/ou les matériaux à changement de phase sont basés sur des produits d’origine pétrolière non renouvelable ou supports transformés (comme le charbon actif par exemple). Dans l’industrie, les mêmes problèmes de fuite et du coût élevé ont été rapportés lors de l’exploitation de ces systèmes de stockage d’énergie à base de matériau à changement de phase par exemple, dans les procédés de séchage solaire de fruits et légumes et au niveau des échangeurs dans les circuits d’eau chaude sanitaire. Le matériau de cette invention est basé sur une matrice biosourcée (biomasse végétale) et stocke de l’énergie thermique lors du chauffage et la restitue lors du refroidissement avec une bonne étanchéité évitant ainsi les problèmes de fuite qui se produisaient lorsque le MCP est à l’état liquide. Le choix de la matrice support présente une étape clé dans l’élaboration d’un matériau composite de stockage d’énergie. Elle doit répondre aux différents critères tels que : l’abondance, la surface spécifique, les tailles des pores, le faible coût, les propriétés thermo-physiques et les groupements de surface. Par exemple dans le cas d’utilisation des matériaux à changement de phase (MCP) comme matériau de stockage d’énergie, la taille moyenne des pores du support est critique. Des pores de diamètre trop petit entrave le mouvement des molécules du MCP, par conséquent, la capacité de stockage thermique latente est affectée d’une manière significative. Par contre, des pores de diamètre trop grand présentent une force capillaire insuffisante pour retenir le MCP à l’état liquide. Dans ce contexte se situe cette invention qui présente une matrice biosourcée support du matériau de stockage d’énergie. L’invention présente un matériau composite 100% biosourcé performant, stable et facile à incorporer dans plusieurs systèmes thermiques. Ce matériau est composé de péricarpes de grenade. Dans une des applications, ce matériau support est associé à un matériau à changement de phase (MCP) comme source d’énergie par exemple. Il est indispensable de protéger le MCP et faciliter son intégration et de limiter les fuites de MCP à l’état liquide d'où l'utilisation d’une encapsulation à base de péricarpe de grenades et de son tannin extrait, qui consiste à confiner le MCP et le placer dans une structure fermée. La morphologie de surface des péricarpes de grenade brute et l’extrait exploité dans cette invention pour assurer une bonne encapsulation est identifiée par microscopie électronique à balayage (MEB). La texture de surface des péricarpes contient des alvéoles avec des pores variables sous la forme de spirales. Cette invention présente un système innovant permettant une amélioration de l’efficacité énergétique et une meilleure Maîtrise de la Demande Énergétique (MDE) dans plusieurs secteurs. Le support élaboré par cette invention peut être aussi utilisé pour le stockage de l’énergie dans d’autres applications comme le stockage des gaz. La figure est une schématisation du matériau de cette invention composé de deux parties : une enveloppe externe (1) pour assurer l’étanchéité et la résistance du matériau et une partie interne (2), appelé support, pour intégrer le matériau de stockage d’énergie. La partie interne (2) du matériau de cette invention est obtenue à partir péricarpes de grenades après des opérations d’extractions. Le résidu solide obtenu après extraction est séché, broyé puis tamisé. A partir de la classification granulométrique, la taille de particule du résidu solide est choisie de manière à pouvoir effectuer le moulage et l’intégration du matériau de stockage d’énergie pour réaliser le matériau composite. Les particules des péricarpes de grenades obtenues subissent un moulage sous vide. Le moulage par ce procédé permet d’avoir différentes formes de matériau (cubique, parallélépipédique, cylindrique..). Le matériau, après moulage, est chargé par un matériau de stockage d’énergie (exemple : huile de coco, paraffine…). La capacité d’imprégnation du matériau de cette invention (partie 2) est élevée et peut atteindre 75%. La partie interne (2) du matériau de cette invention peut être exploitée et appliquée directement. La partie (1) est une enveloppe pour améliorer plus les propriétés du support (partie2). La partie externe (1) du matériau de cette invention est constituée des particules de péricarpes de grenades brut sans extraction (particules obtenues après séchage, broyage et tamisage sans extraction). Le moulage de ces particules est effectué sous vide en utilisant l’extrait récupéré lors du traitement de la partie (2). L’utilisation de l’extrait riche en tannins donne à la partie (1) du matériau de cette invention un pouvoir adhésif et durcissant surtout lors du chauffage. La partie externe (1) constitue une enveloppe de la partie interne (2) du matériau composite de l’invention. A titre d’exemple, le matériau composite de stockage d’énergie de cette invention peut être intégré dans les matériaux de construction et permet de réduire la température maximale du bâtiment et décale le point de charge. Ceci assure une température de confort et une réduction de la consommation énergétique. A titre d’exemple aussi, ce matériau peut être intégré dans un échangeur de chaleur en aval d’une chaudière d’eau sanitaire pour limiter les pertes thermiques et assurer la régulation de la température de l’eau distribuée sur le réseau. Matériau composite de stockage d’énergie composé d’un matériau support biosourcé renfermant un Matériau de Stockage d’Energie (MSE) caractérisé en ce que le matériau support est fabriqué à partir de péricarpes de grenades. Matériau composite selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau support est obtenu après traitement pour éliminer les matières solubles des péricarpes de grenades. Matériau composite selon la revendication 2 caractérisé en ce que le matériau support est obtenu après broyage et tamisage des péricarpes de grenades. Matériau composite selon la revendication 3 caractérisé en ce que le matériau support est mis en forme par moulage sous vide. Matériau composite selon la revendication 4 caractérisé en ce que le matériau support est utilisé pour capter et/ou stocker différents types de molécules (organiques, inorganiques, métaux, gaz). Matériau composite selon la revendication 5 caractérisé en ce que le matériau support est utilisé pour renfermer des matériaux de stockage d’énergie MSE (thermique ou chimique) tels que des matériaux à changement de phase (paraffines, biosourcés). Matériau composite selon la revendication 6 caractérisé en ce qu’il est enveloppé par un matériau d’encapsulation biosourcé préparé à base des péricarpes de grenade bruts (sans traitement) mélangés avec l’extrait des péricarpes de grenade (tannins) de la revendication 2. Matériau composite encapsulé selon la revendication 7 caractérisé en ce qu’il est moulé et séché par déshydratation sous vide.