EP3759060A1 - Method for producing a ceramic material for thermal energy storage - Google Patents

Method for producing a ceramic material for thermal energy storage

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EP3759060A1
EP3759060A1 EP19717516.9A EP19717516A EP3759060A1 EP 3759060 A1 EP3759060 A1 EP 3759060A1 EP 19717516 A EP19717516 A EP 19717516A EP 3759060 A1 EP3759060 A1 EP 3759060A1
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EP
European Patent Office
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ceramic material
phosphate
temperature
mixture
heat
Prior art date
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Pending
Application number
EP19717516.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rachid BOULIF
Driss Dhiba
Nawal SEMLAL
Alain Germeau
Claudia TOUSSAINT
Ange Nzihou
Doan PHAM MINH
Abdoul Razac SANE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Prayon SA
Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels
OCP SA
Original Assignee
Prayon SA
Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels
OCP SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Prayon SA, Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels, OCP SA filed Critical Prayon SA
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    • C04B2235/9607Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a thermal storage material, specifically for the storage of sensible heat, as well as a method of manufacturing such a material, and a thermal storage method using said material.
  • Thermal storage involves storing heat in a medium for later use.
  • This medium consists of a specific material called thermal storage material.
  • thermochemical storage There are three methods of thermal energy storage: sensible heat storage, latent heat storage and thermochemical storage [1]. As indicated above, the present invention relates to materials for storing sensible heat.
  • a sensible heat storage material may be a liquid or a solid.
  • An object of the invention is therefore to design a material for thermal storage that can be easily shaped by an industrial process, be available in industrial quantities, and be used in a wide range of temperatures, up to 1100 ° C.
  • the invention proposes a method of manufacturing a ceramic material for the thermal storage of energy, characterized in that it comprises the production of a mixture of at least particles of clay, particles of natural and / or synthetic phosphate, and water, said mixture comprising between 0.5% and 40% by weight of phosphate relative to the mass of the mixture with the exception of water.
  • the method also includes the steps of shaping and baking the mixture to obtain the ceramic material.
  • Said natural and / or synthetic phosphate may in particular comprise hydroxyapatite.
  • the mixture comprises between 4% and 5% by weight of phosphate.
  • the mass contents are calculated with respect to the total mass of the mixture excluding water.
  • Said mixture advantageously comprises between 50 and 90% by mass of clay, preferably between 60 and 80%.
  • the average size of the clay and phosphate particles is less than 1 mm.
  • the mixture further comprises up to 40% by weight of sand particles, preferably between 10 and 30% by weight.
  • the average size of the sand particles is advantageously less than 1.5 mm.
  • Said method advantageously comprises forming the ceramic material by one of the following techniques: extrusion, granulation, molding, compacting or pressing the mixture.
  • the method may comprise, after the shaping step, drying the ceramic material at a temperature of 105 ° C or less.
  • the method may comprise, after the drying step, firing the ceramic material at a temperature between 800 and 1200 ° C, preferably between 900 and 1150 ° C.
  • Another object of the invention relates to a ceramic material for the thermal storage of energy, obtainable by the method as described above.
  • Said ceramic material comprises a matrix of clay and, if appropriate, of sand, and particles of natural and / or synthetic phosphate dispersed in said matrix, said ceramic material comprising between 0.5% and 40% by weight of phosphate by relative to the mass of the ceramic material.
  • the ceramic material is in the form of a cylinder, a sphere, a cube, a spiral, a flat plate, a corrugated plate, a hollow brick or of a Raschig ring.
  • Another subject of the invention relates to a thermal energy storage method using such a material.
  • the method comprises contacting a heat transfer fluid with the ceramic material described above, so as to transfer heat from the coolant to the ceramic material in a charging phase, and to transfer heat from the ceramic material to the heat transfer fluid in a discharge phase.
  • the ceramic material is contained in a tank.
  • Said reservoir is advantageously formed of at least one thermally insulating material.
  • the coolant is typically selected from air, water vapor, oil or molten salt.
  • the coolant is at a temperature between 20 and 1100 ° C.
  • the invention relates to a device for implementing said energy storage method.
  • Said device comprises a reservoir containing the ceramic material and a circulation circuit of a heat transfer fluid in fluid connection with the reservoir so as to put said heat transfer fluid in contact with the ceramic material.
  • FIG. 1 is a map of the elements present in a terracotta ceramic without addition of phosphate (referenced Ceraml in Table 1);
  • FIG. 2 is a map of the elements present in a ceramic containing 16.7% CP and cooked at 1100 ° C (referenced Ceram8 in Table 1);
  • FIG. 3 is a map of the elements present in a ceramic containing 16.7% of PN and cooked at 1100 ° C (referenced Ceram28 in Table 1);
  • FIG. 4 illustrates the thermal conductivity measured by the Hot Disk method for ceramics containing CP and baked at different temperatures
  • FIG. 5 illustrates the thermal conductivity measured by the Hot Disk method for ceramics containing PN and cooked at different temperatures
  • FIG. 6 illustrates the thermal conductivity measured dynamically on ceramics: phosphate-free (Ceraml); with 4.7% by weight of CP (Ceram8); with 5% by weight of PN (Ceram34);
  • FIG. 7 illustrates the bending fracture stress of ceramics with or without addition of CP and baked at different temperatures;
  • FIG. 8 illustrates the bending fracture stress of ceramics with or without the addition of PN and baked at different temperatures
  • FIG. 9 represents the mechanical resistance (Young's modulus) measured dynamically by acoustic resonance on a phosphate-free ceramic (Ceraml) or with the addition of 4.7% by weight of CP (Ceram8);
  • FIG. 10 illustrates the calorific value (specific heat) dynamically measured by the DSC 404 F1 Pegasus TM on a ceramic without phosphate (Ceraml), with the addition of 4.7% by weight of CP (Ceram8), or with the addition of 5% by mass of PN (Ceram34);
  • FIG. 11 illustrates the bending fracture stress of ceramics prepared with different sizes (cf 5 o) of PN particles and fired at different temperatures;
  • FIG. 12 illustrates a thermogravimetric analysis of ceramics containing 4.7% by weight of CP (Ceram8) or 5% by mass of PN (Ceram34) (the y-axis of the left is the variation of mass of the material (in% ), the ordinate axis on the right is the temperature (in ° C), and the x-axis is the time (in min);
  • FIG. 13 is a schematic diagram of the sensible heat storage tank used during the charging phase (a) and the discharging phase (b).
  • FIG. 14 relates to the charge phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram9 material at moderate temperatures (T H around 340 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and charge rate (q C h g ) as a function of charging time;
  • FIG. 15 relates to the discharge phase during the test of storage of the sensible heat with the material Ceram9 at moderate temperatures (T H around 340-343 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and discharge rate (q diS ) as a function of the discharge time;
  • FIG. 16 relates to the charge phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram9 material at moderately high temperatures (T H around 520 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and charge rate (q C h 9 ) as a function of charging time;
  • FIG. 17 relates to the discharge phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram9 material at moderately high temperatures (T H around 520 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the tank storage; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and discharge rate (h ⁇ ) as a function of charging time;
  • FIG. 18 relates to the charge phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram9 material at high temperatures (T H around 760 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and charge rate (n Chg ) as a function of charging time;
  • FIG. 19 relates to the discharge phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram9 material at high temperatures (T H around 760 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and discharge rate (n diS ) as a function of the discharge time;
  • FIG. 20 relates to the charging phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram35 material at moderate temperatures (T H around 350 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and charge rate (n Chg ) as a function of charging time;
  • FIG. 21 relates to the discharge phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram35 material at moderate temperatures (T H around 350 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet temperature (T1) and outlet temperature (T2) and discharge rate (n diS ) as a function of the discharge time;
  • FIG. 22 relates to the charging phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram35 material at moderately high temperatures (T H around 580 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and charge rate (n Chg ) as a function of charging time;
  • FIG. 23 relates to the discharge phase during the test of storage of the sensible heat with the MC / PN material at moderately high temperatures (T H around 580 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet temperature (T1) and outlet temperature (T2) and discharge rate (n diS ) as a function of the discharge time;
  • FIG. 24 relates to the charging phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram35 material at high temperatures (T H around 850 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and charge rate (n Chg ) as a function of charging time;
  • FIG. 25 relates to the discharge phase during the test of storage of the sensible heat with the MC / PN material at high temperatures (T H around 850 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and discharge rate (q d is) as a function of the discharge time.
  • the inventors have demonstrated the possibility of obtaining a ceramic material having excellent thermal energy storage ability by mixing particles of clay, sand, phosphate, and water. Said mixture may in fact have a favorable plasticity for the implementation of various techniques, such as extrusion, granulation, molding or pressing, which make it possible to put the ceramic material in a form suitable for the thermal storage of energy. .
  • ceramic means a material in solid form having undergone a firing cycle.
  • Conventional terracotta ceramics are made from a mixture of clay, sand and water.
  • the clays have a structure in the form of sheets allowing water molecules to interpose between said sheets. This gives them a plastic property and offers them the possibility of being used as plasticizing or structuring agents.
  • the plastic property of clays is a decisive parameter for shaping ceramic earthenware materials.
  • clays exist in several mineralogical forms grouped into four families [5]. These are the kaolinites (AS ⁇ OsODH ⁇ ), the illites (K (AI, Mg, Fe) 2 (Si, Al) 40 [(OH) 2, H 2 0], the smectites ((Ca, Na) 0 , 3
  • Clay is a natural material, available in industrial quantities with good plasticity compared to several other binders such as polyvinyl alcohol, gelatin, polyethylene glycol or polyacrylic acid which are used in various industrial processes.
  • Sands are inert materials with no plasticity and are mainly composed of quartz and other minerals such as feldspars and micas. In the terracotta industry, sands are used as degreasers to facilitate the drying step. Their use makes it possible to obtain in the clay matrix a skeleton favorable to the dehydration of clay minerals. This prevents large shrinkage that can lead to cracking of materials.
  • phosphates which are either natural (phosphate ores) or synthetic. They are formed from phosphate anions (orthophosphate (PO 4 ) 3 ) and metal cations M where M can be an alkali, an alkaline earth metal or any metal of the periodic table of the elements. This diversity makes it possible to obtain phosphate products of very varied properties.
  • the phosphate used in the present invention may be a natural phosphate (that is to say a phosphate ore) or a synthetic phosphate such as hydroxyapatite (Caio (PO 4 ) 6 (OH) 2 ), or a mixture of these two types of phosphate.
  • a phosphate incorporated in the clay matrix makes it possible to improve the physical, thermal and mechanical properties of the ceramic material, in particular the density, the thermal conductivity and the heating value. or else the mechanical stability.
  • extrusion is a simple and controlled shaping technique for the large-scale production of ceramic materials for thermal energy storage, and which is suitable for the mixture described above.
  • the extrusion consists in passing the mixture, at a controlled pressure, through a double helix, then an endless screw before extracting it by a die in a monolithic form.
  • This technique makes it possible to obtain ceramic materials in different forms: cylindrical, alveolar, flat plate, corrugated plate, hollow brick, etc.
  • the skilled person chooses the size and shape of ceramic materials to control heat exchange during storage and retrieval of sensitive heat.
  • the mixture can be shaped by other techniques such as granulation, molding, compaction or pressing.
  • granulation is advantageous in that it makes it possible to obtain materials of spherical shape of different sizes.
  • the ceramic material may have the following forms: cylinder, sphere, cube, spiral, flat plate, corrugated plate, hollow brick, Raschig ring (non-limiting list). Those skilled in the art will choose the shaping technique according to the desired shape.
  • composition of the mixture is controlled to have good plasticity for the shaping step, and to obtain physical, thermal and mechanical properties suitable for the storage of sensible heat.
  • the added phosphate content can reach up to 40% by weight (ie 17% by mass in P 2 0 5 ), and is between 0.5% and 40%, preferably between 4% and 5% by weight (in the present text, the reference mass is that of the dry mixture (not including the added water)).
  • the phosphate content is non-zero.
  • a phosphate content of at least 0.5% by weight makes it possible to significantly improve the thermal conductivity and the mechanical strength of the ceramics.
  • a phosphate content of less than 40% by weight makes it possible to guarantee a good plasticity of the mixture of clay, phosphate, and water and facilitates its subsequent shaping.
  • the sand content may vary between 0 and 40% by weight, preferably between 10 and 30%.
  • the sand content depends on the nature of the clay mixture (original deposit). Phosphate can replace all or part of the sand. Thus, it is possible to get rid of sand in the mixture, for example when large amounts of phosphate (of the order of 20 to 40%) are added.
  • the term "clay-sand matrix" covers a possible absence of sand.
  • the clay content can vary between 50 and 90% by weight, preferably between 60 and 80%.
  • the water content is adjusted so as to give the mixture a pasty consistency, the viscosity of which is adapted to the shaping technique adopted. This water will be removed during subsequent heat treatments (ie drying and cooking).
  • the particle size of the mixture is also controlled because it influences the final properties of the ceramic material.
  • size we mean in the present text the diameter of a sphere having the same volume as the particle considered; in the case of a spherical particle, the size is the diameter of the particle.
  • the median size is considered, denoted d 5 o, that is to say the size for which 50% of the particles are smaller and 50% of particles have a larger size.
  • the size d 50 of the phosphate particles is preferably less than 1 mm; that of clay and sand is preferably less than 1 and 1.5 mm, respectively.
  • the drying is advantageously carried out in stages, at different temperatures which do not exceed 105 ° C.
  • the drying comprises successively a first bearing at 25 ° C, a second bearing at 45 ° C, a third bearing at 70 and a fourth bearing at 105 ° C.
  • Each step is applied for a fixed period of time which may be identical or different from one step to another.
  • the duration of each stage is 24 hours.
  • Such stepwise drying makes it possible to evacuate the water in a progressive manner and thus to avoid generating stress in the material. After drying, the material does not contain any more water.
  • the cooking is carried out after the drying step. It can be done in a static oven or in a tunnel oven.
  • a moderate rise ramp is applied, preferably 5 ° C / min, in order to avoid generating stress in the material.
  • the firing temperature applied may vary between 800 and 1200 ° C, preferably between 900 and 1150 ° C.
  • the bearing at the cooking temperature is between 0.5 and 5 h, preferably 1 h.
  • the ceramic material has a clay-sand matrix in which are dispersed phosphate particles.
  • said ceramic material has good thermal energy storage properties.
  • the ceramic material can therefore be used for the implementation of a thermal energy storage method.
  • the ceramic material is brought into contact with a heat transfer fluid so as to allow heat exchange:
  • the coolant in a charging phase, the coolant is at an elevated temperature, higher than that of the ceramic material; the heat is transferred from the coolant to the ceramic material, and stored in said material for the desired storage time;
  • the heat transfer fluid is at a low temperature, lower than that of the ceramic material; the heat stored in the ceramic material is then transferred to the coolant.
  • the heat thus discharged can be used for the generation of electricity, for the heating of a room, or for any other use.
  • the coolant can be a gas or a liquid.
  • the coolant may be air, water vapor, an oil or a molten salt.
  • the ceramic material is in the form of a plurality of units which together constitute a lining.
  • the size and shape of these units is chosen to maximize the contact surface with the coolant.
  • Said lining is arranged in a tank which is in one or thermally insulating material (s).
  • the reservoir is in fluid connection with a coolant circuit.
  • the reservoir has an inlet and a heat transfer fluid outlet, arranged relative to each other so as to ensure a contact surface as large as possible between the heat transfer fluid and the ceramic material that makes up the packing.
  • the reservoir has a cylindrical shape extending horizontally, and the inlet and the heat transfer fluid outlet are each arranged at one end of the reservoir.
  • Table 1 List of prepared materials and associated characteristics
  • the acronym CP designates synthetic hydroxyapatite of formula (Caio (P0 4) 6 (OH) 2), whose size is d 5 o of 5 pm;
  • the acronym PN denotes a phosphate ore containing predominantly P 2 O 5 (30.4%), SiO 2 (3.2%), Na 2 O (0.7%), Al 2 O 3 (0.5% ), MgO (0.4%), Fe 2 O 3 (0.3%), K 2 O (0.1%) (percentages by weight).
  • Thermal conductivity is an important parameter of ceramic materials in storage of sensible heat. Indeed, it directly influences the heat transfer within the materials during the charging and discharging phases.
  • Figures 4 and 5 show the evolution of the thermal conductivity as a function of the CP or PN content and the cooking temperature.
  • the measurement was carried out by the Hot Disk method using a Kapton type probe (No. 5465). All measurements were carried out at 25 ° C on fired ceramics.
  • Said Hot Disk method is based on the use of a probe placed between the samples to be characterized. Samples can be in powder form (in this case a sample holder is used) or in monolithic form.
  • the probe is a resistive element acting both as a thin heat source, laterally limited, and as a temperature sensor.
  • the addition of phosphate makes it possible to increase the thermal conductivity of conventional terracotta ceramics. This increase can reach up to 20% compared to a ceramic tile without phosphate.
  • the thermal conductivity can thus reach that of concrete which has a conductivity of the order of 1 to 1, 2 W / mK [4]
  • the fact that the phosphate particles are inserted in the microstructure of the clay-sand matrix reduces the air pockets (porosity) in the structure of said matrix and therefore limit the resistance to the path of heat. This results in an improvement of the thermal conductivity.
  • a phosphate content of at least 0.5% by weight makes it possible to significantly improve the thermal conductivity of ceramics.
  • the thermal conductivity increases with the increase of the cooking temperature. This is due to the densification and sintering of ceramics.
  • the firing temperature is preferably between 900 and 1150 ° C.
  • the thermal conductivity varies with the temperature at which the material is exposed. Measurements in dynamics between 30 and 1000 ° C were carried out with a machine LFA 547 TM of NETSCH. The conditions of these measurements are as follows: atmosphere: air; heating rate: 5 ° C / min; temperature: 30-1000 ° C, flash: 1826 V; stabilization criterion: linear ("baseline").
  • Figure 6 shows the evolution of the thermal conductivity of ceramics with or without the addition of phosphate depending on the temperature. The ceramics were previously fired at 1100 ° C. It is clearly observed that the two ceramics containing phosphate have a higher thermal conductivity than that of the phosphate-free ceramic in the temperature range studied. An increase of about 20% is thus observed at 900 ° C. In this case, there is little influence of the phosphate nature on the thermal conductivity.
  • FIGs 7 and 8 show the evolution of the three-point bending fracture stress of ceramics prepared with or without the addition of phosphate. The measurement was carried out at 25 ° C. on specimens 60mm x 15mm x 9mm in flexion using an INSTRON TM machine. The characteristics of the three-point bending test are as follows: travel speed: 2 mm / min; cell: 500N; diameter of the support rollers: 5 mm; diameter of the central support roller: 5 mm; gap between the rollers: 40 mm; end of the test: rupture of the test piece; temperature: ambient (20 ° C). Whatever the cooking temperature used, the addition of CP made it possible to increase the mechanical strength of ceramics (see Figure 7).
  • a phosphate content of at least 0.5% by weight makes it possible to significantly improve the mechanical strength of ceramics.
  • the insertion of the fine particles of CP into the clay-sand matrix develops a new microstructure and thus contributes to strengthening the overall structure by removing pores present in the initially phosphate-free ceramic.
  • the addition of PN particles, whose particle size is 100 ⁇ m, weakly decreases the mechanical strength (see Figure 8).
  • Figure 10 shows the specific heat of non-phosphate ceramics or with the addition of 4.7 wt% CP and 5 wt% PN in the temperature range of 30 to 1000 ° C.
  • the ceramics were previously fired at 1100 ° C.
  • the specific heat increases with the increase of temperature. That of non-phosphate ceramic varies from 0.74 J / g. K at 30 ° C to 1.16 J / g. K at 1000 ° C; that of the ceramic containing CP varies from 0.77 J / g. K at 30 ° C at 1.19 J / g. K at 1000 ° C; and that of the ceramic containing PN ranges from 0.75 to 30 ° C to 1.16 J / gK at 1000 ° C.
  • the fine particles are obtained by grinding.
  • Figure 11 shows the evolution of flexural fracture stress as a function of the average particle size of PN.
  • the PN content was set at 4.7% by mass. The smaller the average size of the PN particles, the greater the flexural rupture stress.
  • the storage material In storage of sensible heat, the storage material must have good thermal stability during many heating and cooling cycles.
  • the thermal stability has been studied by thermogravimetric analysis which makes it possible to follow the evolution of the mass during cycles of heating and cooling.
  • the ceramics were previously fired at 1100 ° C.
  • Figure 12 shows the results obtained with two ceramics containing respectively 4.7% by weight of CP and 5% by weight of PN.
  • the analysis conditions are: heating rate of 10 ° C / min; air atmosphere at 100 NmL / min, free cooling, temperature range 30 to 1000 ° C. Both ceramics have a very good thermal stability in the temperature range studied.
  • the mass variation is less than 0.2% during the 50 repeated heating and cooling cycles under air.
  • these ceramics can be used in high temperature solar power plants such as tower plants with temperatures up to about 900 ° C, but also in plants at moderate temperatures such as parabolic power plants where temperatures rarely exceed 400 ° C. These ceramics can also be used to recover heat present in flue gases from industrial plants up to about 1000 ° C. In general, they can be in contact with a heat transfer fluid at any temperature up to 1100 ° C.
  • the schematic diagram of the pilot used is shown in Figure 13. It consists of a storage tank R of dimension 1, 4 mx 0.3 mx 0.3 m or a nominal storage volume of 0.126 m 3 .
  • the tank is made of vermiculite (an insulating and inert material, thickness 0.1 m) and is surrounded by a fibrous insulation layer of rockwool (thickness 0.25 m); everything is finally surrounded by a layer of stainless steel.
  • the tank is installed horizontally. It is equipped with 37 thermocouples to follow the evolution of the axial temperature throughout the tank.
  • the coolant used is air.
  • the arrows indicate the flow direction of said fluid in the reservoir.
  • a blower For the charging phase (a), a blower generates a constant air flow to feed a hot air gun which then feeds the storage tank. This gun is positioned just before the entrance of the storage tank.
  • the hot-air gun used makes it possible to obtain a temperature ranging from 100 ° C. to 900 ° C. at the barrel outlet.
  • the blower injects ambient air into the cold part of the tank to recover initially stored heat.
  • Two thermocouples, a mass flow meter and two pressure sensors are also installed to control the flow of heat transfer fluid during the charging and discharging phases.
  • T L Temperature of the storage material at the beginning of the charging phase; or low temperature of the coolant (air) used for the discharge phase (° C).
  • T H Temperature of the coolant (air) at the inlet of the storage tank during the charging phase; or high temperature of the storage material at the beginning of the discharge phase (° C).
  • T cut-off / chg Temperature threshold at the outlet of the storage tank where the charging phase is stopped.
  • T cut-off / dis Temperature threshold at the outlet of the storage tank where the discharge phase is stopped.
  • Threshold temperature coefficient used for calculating the temperatures T cut - o ff / chg and T cut-off / dis according to the following equations.
  • T cut-off / chg T L + bx (T H -T L ) (2)
  • breakthrough time The time required to reach a value of T Cut-off / chg during the charging phase or T cut-off / dis during the discharge phase.
  • E Chg Quantity of thermal energy stored in the storage material during the charging phase where the outlet temperature of the storage tank is lower than T cut-off / chg ; E Chg is calculated by equation (1) (kWh).
  • E dis Quantity of thermal energy recovered during the discharge phase where the outlet temperature of the storage tank is greater than T cut-off / dis ; E is is calculated by equation (1) (kWh).
  • n dis Discharge rate which is the ratio between E dis and E Chg (%).
  • ⁇ E porosity of the storage tank filled with cylinders of ceramic material 15 mm in diameter and 40 mm in length (%).
  • exchange surface is meant the outer surface of the ceramic material directly in contact with the coolant.
  • this cylindrical shape is easily obtained by the extrusion method. For each experiment, 160 kg of material is required to fill the storage tank. The porosity of the storage tank filled by these cylinders is about 40%.
  • Table 2 Test conditions for Ceram9 material at moderate temperatures (T H around 340 ° C)
  • Figure 14 and Table 3 show the results obtained during the charging phase.
  • Figure 14 (a) shows the axial temperature profiles at different charging times. At a given charging time, the axial temperature decreases with the increase in the length of the storage tank. At a given storage tank length, the axial temperature increases with increasing charging time.
  • Figure 14 (b) shows the evolution of the inlet (T1) and outlet (T2) temperature of the storage tank, and the evolution of the charge rate. The tank inlet temperature was quickly stabilized around the T H. The outlet temperature of the tank was maintained at room temperature for about 0.75 h load. As a result, all of the heat injected into the vessel was absorbed by the material. Then this output temperature increases.
  • Table 3 Summary of the results obtained at different T mt-nff / rhn during the charging phase of Ceram9 material at moderate temperatures (T H around 340 ° C)
  • Figure 15 and Table 4 show the results obtained during the discharge phase.
  • the axial temperatures are presented as a function of the discharge time or the length of the storage tank.
  • the increase in the discharge time leads to a decrease in temperature.
  • the temperature drops with the length of the storage tank.
  • the increase in discharge time is accompanied by the decrease of the outlet temperature and the increase of the discharge rate. After 2.28 h, the discharge rate reaches 93.6% as specified
  • Table 4 Summary of the results obtained at different T ⁇ / ⁇ H during the discharge phase of Ceram9 material at moderate temperatures (T H around 340 ° C).
  • Table 5 Test conditions for Ceram9 material at moderately high temperatures (T H around 520 ° C)
  • FIG. 16 and Table 6 summarize the results obtained for the charging phase.
  • the inlet temperature is rapidly stabilized between 500 and 528 ° C after 30 minutes of charging.
  • the output temperature stays close to room temperature for the first 30 min, then starts to increase.
  • the charge rate increases with charging time and reaches 86.4% after 3.27 h. At this charge rate,
  • Table 6 Summary of the results obtained at different nff / rhns during the phase of
  • Figure 17 and Table 7 show the results obtained during the discharge phase.
  • the increase in discharge time leads to a consequent decrease in the outlet temperature and a consequent increase in the discharge rate (see Figure 17).
  • 94.2% of the amount of heat stored was returned
  • Table 7 Summary of results obtained at different nff / rii during the phase of
  • Table 8 Test conditions for Ceram9 material at high temperatures (T H around 760 ° C)
  • Figure 18 and Table 9 show results obtained for the charging phase.
  • the inlet temperature is rapidly stabilized around 760 ° C after 60 min of charging.
  • the output temperature stays close to room temperature for the first 60 minutes and then begins to increase.
  • the charge rate increases with charging time and reaches 86.9% after 3.76 h. At this loading rate, heat losses are relatively low (q W h of 13.9% only).
  • Table 9 Summary of the results obtained at different T mt-nff / rhn during the charging phase of Ceram9 material at high temperatures (T H around 760 ° C)
  • Figure 19 and Table 10 show the results obtained for the discharge phase.
  • the increase in discharge time is accompanied by a consequent decrease in the outlet temperature and a consequent increase in the discharge rate (Figure 19).
  • 96.7% of the amount of heat stored was restored (Table 10).
  • the results obtained for the two charging and discharging phases show that the studied material is effective for the storage of sensible heat at high temperatures around 760 ° C.
  • Table 10 Summary of the results obtained at different T r "t nff / rii during the discharge phase of Ceram9 material at high temperatures (T H around 760 ° C)
  • Table 1 1 Test conditions for Ceram35 material at moderate temperatures (T H around 350 ° C)
  • Figure 20 and Table 12 show results obtained for the charging phase.
  • the inlet temperature is rapidly stabilized around 340-350 ° C after 30 min of charging.
  • the output temperature stays close to room temperature for about 0.75h and then starts to increase.
  • Charge rate increases with charging time and reaches 89.9% after 2.43 hours. At this loading rate, heat losses are relatively low (q W h of 14.6% only).
  • Table 12 Summary of the results obtained at different T mt-nff / rhn during the charging phase of Ceram35 material at high temperatures (T H around 350 ° C)
  • Figure 21 and Table 13 show the results obtained for the discharge phase.
  • the increase in discharge time is accompanied by a consequent decrease in the outlet temperature and a consequent increase in the discharge rate (Figure 21).
  • the discharge rate is 84.2% (Table 13).
  • the material Ceram35 is therefore effective for storage and retrieval of sensible heat at moderate temperatures (around 350 ° C).
  • Table 13 Summary of the results obtained at different T r "t nff / rii during the discharge phase of Ceram35 material at moderate temperatures (T H around 350 ° C)
  • Table 14 Test conditions for Ceram35 material at moderately high temperatures (T H around 580 ° C)
  • Figure 22 and Table 15 show results obtained for the charging phase.
  • the inlet temperature is rapidly stabilized around 550-580 ° C after 60 min of charging.
  • the output temperature remains close to room temperature for about 1, 25h and then starts to increase.
  • the charge rate increases with charging time and reaches 89.6% after 3.50 h. At this load rate, heat losses are relatively low (n Wh of 14.0% only).
  • Table 15 Summary of the results obtained at different T mt-nff / rhn during the loading phase of Ceram35 material at medium high temperatures (T H around 580 ° C)
  • Figure 23 and Table 16 show the results obtained for the discharge phase.
  • the outlet temperature drops with the charging time.
  • the discharge rate increases ( Figure 23).
  • the amount of heat initially stored was discharged at a rate of 92.8% (Table 16).
  • Table 16 Summary of results obtained at different nff / rii during the phase
  • Table 17 Test conditions for Ceram35 material at high temperatures (T H around 850 ° C)
  • Figure 24 and Table 18 show results obtained for the charging phase.
  • the inlet temperature is stabilized around 800-850 ° C after 45 minutes of charging.
  • the outlet temperature is close to room temperature for about 1 hour indicating that all of the injected heat has been absorbed by the material. Then this output temperature starts to increase.
  • the charge rate increases with the charging time and reaches 86.3% after 2.91 h. At this loading rate, the thermal losses are relatively low (q W h of 8.9% only).
  • Table 18 Summary of the results obtained at different T mt-nff / rhn during the charging phase of the Ceram35 material at high temperatures (T H around 850 ° C)
  • Figure 25 and Table 19 show the results obtained for the phase discharge. With the charging time, the outlet temperature drops and at the same time the discharge rate increases (Figure 25). After 3.95h of discharge, 94% of the stored heat is returned (Table 19). These results show that the Ceram35 material is effective for storing and retrieving sensitive heat at high temperatures (T H around 850 ° C).
  • Table 19 Summary of the results obtained at different T r "t nff / rii during the discharge phase of Ceram35 material at high temperatures (T H around 850 ° C)
  • Table 20 Experimental conditions and main results for all load and discharge tests obtained with Ceram9 ceramics (160 kg of ceramic, ceramic in the form of cylinders 15 mm in diameter and 40 mm in length).

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Abstract

The invention relates to a method for producing a ceramic material for thermal energy storage, characterised in that it comprises the production of a mixture of at least particles of clay and particles of natural and/or synthetic phosphate, and water, said mixture comprising between 0.5 and 40 mass % of phosphate in relation to the mass of the mixture, excluding the water, as well as the shaping and the firing of the mixture in order to produce the ceramic material. The invention also relates to a ceramic material for thermal energy storage, characterised in that it comprises a matrix of clay, and where appropriate, sand, and particles of a natural phosphate and/or a synthetic phosphate which are dispersed in said matrix, said ceramic material comprising between 0.5 and 40 mass % of phosphate in relation to the mass of the ceramic material. The invention also relates to a method for thermal energy storage in said ceramic material, characterised in that it comprises bringing a heat-transfer fluid into contact with said ceramic material, in such a way as to transfer heat from the heat-transfer fluid to the ceramic material in a charging phase and to transfer heat from the ceramic material to the heat-transfer fluid in a discharging phase.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UN MATERIAU CERAMIQUE  PROCESS FOR PRODUCING A CERAMIC MATERIAL
POUR LE STOCKAGE THERMIQUE D’ENERGIE  FOR THERMAL STORAGE OF ENERGY
DOMAINE DE L'INVENTION FIELD OF THE INVENTION
La présente invention concerne un matériau de stockage thermique, plus précisément pour le stockage de la chaleur sensible, ainsi qu’un procédé de fabrication d’un tel matériau, et un procédé de stockage thermique mettant en oeuvre ledit matériau.  The present invention relates to a thermal storage material, specifically for the storage of sensible heat, as well as a method of manufacturing such a material, and a thermal storage method using said material.
ETAT DE LA TECHNIQUE STATE OF THE ART
Le stockage thermique consiste à emmagasiner de la chaleur dans un milieu pour une utilisation ultérieure. Ce milieu se compose d’un matériau spécifique s’appelant matériau de stockage thermique.  Thermal storage involves storing heat in a medium for later use. This medium consists of a specific material called thermal storage material.
Il existe trois méthodes de stockage thermique d’énergie : le stockage de la chaleur sensible, le stockage de la chaleur latente et le stockage par voie thermochimique [1]. Comme indiqué ci-dessus, la présente invention concerne les matériaux pour le stockage de la chaleur sensible.  There are three methods of thermal energy storage: sensible heat storage, latent heat storage and thermochemical storage [1]. As indicated above, the present invention relates to materials for storing sensible heat.
Le stockage de la chaleur sensible consiste en une simple élévation de la température du matériau de stockage. La quantité de la chaleur stockée par le matériau est donnée par l’équation suivante : Storage of sensible heat consists of a simple rise in the temperature of the storage material. The amount of heat stored by the material is given by the following equation:
avec Q la quantité de chaleur stockée (J) ; T, et Tf les températures initiales et finales du stockage (K), respectivement ; m la masse du matériau de stockage (g) ; CP(T) le pouvoir calorifique du matériau de stockage (J/g. K). with Q the quantity of heat stored (J); T, and T f the initial and final storage temperatures (K), respectively; m the mass of the storage material (g); C P (T) the calorific value of the storage material (J / g K).
Un matériau de stockage de la chaleur sensible peut être un liquide ou un solide. A sensible heat storage material may be a liquid or a solid.
Le cas des matériaux liquides a connu des succès industriels avec des sels fondus à base de nitrates d’alkalis qui sont utilisés dans les centrales solaires à concentration (CSP, acronyme du terme anglo-saxon « Concentrated Solar Power »). Plusieurs centrales CSP sont actuellement en fonctionnement [2]-[3]. Toutefois, les sels fondus ont des faiblesses liées à leur utilisation importante comme engrais en agriculture, au risque de décomposition chimique complète au-delà de 565°C, et à leur prix élevé. The case of liquid materials has achieved industrial success with molten salts based on alkali nitrates which are used in concentrated solar power plants (CSP), the acronym for the English term "Concentrated Solar Power". Several CSP plants are currently operating [2] - [3]. However, molten salts have weaknesses related to their significant use as fertilizer in agriculture, the risk of complete chemical decomposition above 565 ° C, and their high price.
De ce fait, des matériaux solides comme le béton ont été testés par le Centre allemand pour l'aéronautique et l'astronautique, en allemand Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, plus connu sous son abréviation DLR [4] Le béton est disponible en quantité industrielle à coût compétitif. Cependant, son utilisation est limitée à environ 400°C pour éviter des endommagements mécaniques.  As a result, solid materials such as concrete have been tested by the German Center for Aeronautics and Astronautics, in German Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, better known by its abbreviation DLR [4] Concrete is available in industrial quantity at competitive cost. However, its use is limited to about 400 ° C to prevent mechanical damage.
Le développement de matériaux plus stables, plus performants et plus avantageux économiquement pour le stockage thermique reste donc nécessaire. EXPOSE DE L’INVENTION The development of more stable, more efficient and economically advantageous materials for thermal storage therefore remains necessary. SUMMARY OF THE INVENTION
Un but de l’invention est donc de concevoir un matériau pour le stockage thermique qui puisse être facilement mis en forme par un procédé industriel, être disponible en quantité industrielle, et être utilisable dans une large gamme de température, pouvant aller jusqu’à 1100°C.  An object of the invention is therefore to design a material for thermal storage that can be easily shaped by an industrial process, be available in industrial quantities, and be used in a wide range of temperatures, up to 1100 ° C.
A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’un matériau céramique pour le stockage thermique d’énergie, caractérisé en ce qu’il comprend la réalisation d’un mélange d’au moins des particules d’argile, des particules de phosphate naturel et/ou synthétique, et d’eau, ledit mélange comprenant entre 0,5% et 40% en masse de phosphate par rapport à la masse du mélange à l’exception de l’eau. Le procédé comprend également les étapes de mise en forme et de cuisson du mélange pour obtenir le matériau céramique.  For this purpose, the invention proposes a method of manufacturing a ceramic material for the thermal storage of energy, characterized in that it comprises the production of a mixture of at least particles of clay, particles of natural and / or synthetic phosphate, and water, said mixture comprising between 0.5% and 40% by weight of phosphate relative to the mass of the mixture with the exception of water. The method also includes the steps of shaping and baking the mixture to obtain the ceramic material.
Ledit phosphate naturel et/ou synthétique, peut notamment comprendre de l’hydroxyapatite.  Said natural and / or synthetic phosphate may in particular comprise hydroxyapatite.
De manière particulièrement avantageuse, le mélange comprend entre 4% et 5% en masse de phosphate. Dans la suite du texte, les teneurs massiques sont calculées par rapport à la masse totale du mélange en excluant l’eau.  In a particularly advantageous manner, the mixture comprises between 4% and 5% by weight of phosphate. In the remainder of the text, the mass contents are calculated with respect to the total mass of the mixture excluding water.
Ledit mélange comprend avantageusement entre 50 et 90% en masse d’argile, de préférence entre 60 et 80%.  Said mixture advantageously comprises between 50 and 90% by mass of clay, preferably between 60 and 80%.
De préférence, la taille moyenne des particules d’argile et de phosphate est inférieure à 1 mm.  Preferably, the average size of the clay and phosphate particles is less than 1 mm.
Selon un mode de réalisation, le mélange comprend en outre jusqu’à 40% en masse de particules de sable, de préférence entre 10 et 30% en masse.  According to one embodiment, the mixture further comprises up to 40% by weight of sand particles, preferably between 10 and 30% by weight.
La taille moyenne des particules de sable est avantageusement inférieure à 1 ,5 mm. Ledit procédé comprend avantageusement la mise en forme du matériau céramique par l’une des techniques suivantes : extrusion, granulation, moulage, compactage ou pressage du mélange.  The average size of the sand particles is advantageously less than 1.5 mm. Said method advantageously comprises forming the ceramic material by one of the following techniques: extrusion, granulation, molding, compacting or pressing the mixture.
Le procédé peut comprendre, après l’étape de mise en forme, le séchage du matériau céramique à une température inférieure ou égale à 105°C.  The method may comprise, after the shaping step, drying the ceramic material at a temperature of 105 ° C or less.
Le procédé peut comprendre, après l’étape de séchage, la cuisson du matériau céramique à une température comprise entre 800 et 1200°C, de préférence entre 900 et 1 150°C.  The method may comprise, after the drying step, firing the ceramic material at a temperature between 800 and 1200 ° C, preferably between 900 and 1150 ° C.
Un autre objet de l’invention concerne un matériau céramique pour le stockage thermique d’énergie, susceptible d’être obtenu par le procédé tel que décrit ci-dessus. Ledit matériau céramique comprend une matrice d’argile et, le cas échéant, de sable, et des particules de phosphate naturel et/ou synthétique dispersées dans ladite matrice, ledit matériau céramique comprenant entre 0,5% et 40% en masse de phosphate par rapport à la masse du matériau céramique. De manière avantageuse, le matériau céramique se présente sous la forme d’un cylindre, d’une sphère, d’un cube, d’une spirale, d’une plaque plane, d’une plaque ondulée, d’une brique creuse ou d’un anneau de Raschig. Another object of the invention relates to a ceramic material for the thermal storage of energy, obtainable by the method as described above. Said ceramic material comprises a matrix of clay and, if appropriate, of sand, and particles of natural and / or synthetic phosphate dispersed in said matrix, said ceramic material comprising between 0.5% and 40% by weight of phosphate by relative to the mass of the ceramic material. Advantageously, the ceramic material is in the form of a cylinder, a sphere, a cube, a spiral, a flat plate, a corrugated plate, a hollow brick or of a Raschig ring.
Un autre objet de l’invention concerne un procédé de stockage thermique d’énergie mettant en oeuvre un tel matériau. Ledit procédé comprend la mise en contact d’un fluide caloporteur avec le matériau céramique décrit ci-dessus, de sorte à transférer de la chaleur du fluide caloporteur au matériau céramique dans une phase de charge, et à transférer de la chaleur du matériau céramique au fluide caloporteur dans une phase de décharge.  Another subject of the invention relates to a thermal energy storage method using such a material. The method comprises contacting a heat transfer fluid with the ceramic material described above, so as to transfer heat from the coolant to the ceramic material in a charging phase, and to transfer heat from the ceramic material to the heat transfer fluid in a discharge phase.
Pour la mise en oeuvre dudit procédé, le matériau céramique est contenu dans un réservoir. Ledit réservoir est avantageusement formé d’au moins un matériau thermiquement isolant.  For the implementation of said method, the ceramic material is contained in a tank. Said reservoir is advantageously formed of at least one thermally insulating material.
Le fluide caloporteur est typiquement choisi parmi l’air, la vapeur d’eau, une huile ou un sel fondu.  The coolant is typically selected from air, water vapor, oil or molten salt.
Lors de la phase de charge et/ou la phase de décharge, le fluide caloporteur est à une température comprise entre 20 et 1100°C.  During the charging phase and / or the discharge phase, the coolant is at a temperature between 20 and 1100 ° C.
Enfin, l’invention concerne un dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé de stockage d’énergie. Ledit dispositif comprend un réservoir contenant le matériau céramique et un circuit de circulation d’un fluide caloporteur en liaison fluidique avec le réservoir de sorte à mettre ledit fluide caloporteur au contact du matériau céramique.  Finally, the invention relates to a device for implementing said energy storage method. Said device comprises a reservoir containing the ceramic material and a circulation circuit of a heat transfer fluid in fluid connection with the reservoir so as to put said heat transfer fluid in contact with the ceramic material.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :  Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the detailed description which follows, with reference to the appended drawings in which:
- la figure 1 est une cartographie des éléments présents dans une céramique de terre cuite sans ajout de phosphate (référencée Ceraml dans le Tableau 1 ) ;  - Figure 1 is a map of the elements present in a terracotta ceramic without addition of phosphate (referenced Ceraml in Table 1);
- la figure 2 est une cartographie des éléments présents dans une céramique contenant 16,7% de CP et cuite à 1100°C (référencée Ceram8 dans le Tableau 1 ) ;  - Figure 2 is a map of the elements present in a ceramic containing 16.7% CP and cooked at 1100 ° C (referenced Ceram8 in Table 1);
- la figure 3 est une cartographie des éléments présents dans une céramique contenant 16,7% de PN et cuite à 1100°C (référencée Ceram28 dans le Tableau 1 ) ;  - Figure 3 is a map of the elements present in a ceramic containing 16.7% of PN and cooked at 1100 ° C (referenced Ceram28 in Table 1);
- la figure 4 illustre la conductivité thermique mesurée par la méthode Hot Disk pour des céramiques contenant du CP et cuites à différentes températures ;  FIG. 4 illustrates the thermal conductivity measured by the Hot Disk method for ceramics containing CP and baked at different temperatures;
- la figure 5 illustre la conductivité thermique mesurée par la méthode Hot Disk pour des céramiques contenant du PN et cuites à différentes températures ;  FIG. 5 illustrates the thermal conductivity measured by the Hot Disk method for ceramics containing PN and cooked at different temperatures;
- la figure 6 illustre la conductivité thermique mesurée en dynamique sur des céramiques : sans phosphate (Ceraml ) ; avec 4,7% en masse de CP (Ceram8) ; avec 5% en masse de PN (Ceram34) ; - la figure 7 illustre la contrainte de rupture en flexion de céramiques avec ou sans ajout de CP et cuites à différentes températures ; FIG. 6 illustrates the thermal conductivity measured dynamically on ceramics: phosphate-free (Ceraml); with 4.7% by weight of CP (Ceram8); with 5% by weight of PN (Ceram34); FIG. 7 illustrates the bending fracture stress of ceramics with or without addition of CP and baked at different temperatures;
- la figure 8 illustre la contrainte de rupture en flexion de céramiques avec ou sans ajout de PN et cuites à différentes températures ;  FIG. 8 illustrates the bending fracture stress of ceramics with or without the addition of PN and baked at different temperatures;
- la figure 9 représente la résistance mécanique (module d’Young) mesurée en dynamique par la résonance acoustique sur une céramique sans phosphate (Ceraml ) ou avec l’ajout de 4,7% en masse en CP (Ceram8) ;  FIG. 9 represents the mechanical resistance (Young's modulus) measured dynamically by acoustic resonance on a phosphate-free ceramic (Ceraml) or with the addition of 4.7% by weight of CP (Ceram8);
- la figure 10 illustre le pouvoir calorifique (chaleur spécifique) mesuré en dynamique par la DSC 404 F1 Pegasus™ sur une céramique sans phosphate (Ceraml ), avec l’ajout de 4,7% en masse de CP (Ceram8), ou avec l’ajout de 5% en masse de PN (Ceram34) ;  - Figure 10 illustrates the calorific value (specific heat) dynamically measured by the DSC 404 F1 Pegasus ™ on a ceramic without phosphate (Ceraml), with the addition of 4.7% by weight of CP (Ceram8), or with the addition of 5% by mass of PN (Ceram34);
- la figure 11 illustre la contrainte de rupture en flexion des céramiques préparées avec différentes tailles (cf5o) des particules de PN et cuites à différentes températures ; FIG. 11 illustrates the bending fracture stress of ceramics prepared with different sizes (cf 5 o) of PN particles and fired at different temperatures;
- la figure 12 illustre une analyse thermogravimétrique des céramiques contenant 4,7% en masse en CP (Ceram8) ou 5% en masse en PN (Ceram34) (l’axe des ordonnées de gauche est la variation de masse du matériau (en %), l’axe des ordonnées de droite est la température (en °C), et l’axe des abscisses est le temps (en min) ;  FIG. 12 illustrates a thermogravimetric analysis of ceramics containing 4.7% by weight of CP (Ceram8) or 5% by mass of PN (Ceram34) (the y-axis of the left is the variation of mass of the material (in% ), the ordinate axis on the right is the temperature (in ° C), and the x-axis is the time (in min);
- la figure 13 est un schéma de principe du réservoir de stockage de la chaleur sensible utilisé pendant la phase de charge (a) et la phase de décharge (b).  FIG. 13 is a schematic diagram of the sensible heat storage tank used during the charging phase (a) and the discharging phase (b).
- la figure 14 concerne la phase de charge lors du test de stockage de la chaleur sensible avec le matériau Ceram9 à des températures modérées (TH autour de 340°C): (a) évolution de la température axiale en fonction de la longueur du réservoir de stockage ; (b) température d’entrée (T1 ) et de sortie (T2) et taux de charge (qChg) en fonction du temps de charge ; FIG. 14 relates to the charge phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram9 material at moderate temperatures (T H around 340 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and charge rate (q C h g ) as a function of charging time;
- la figure 15 concerne la phase de décharge lors du test de stockage de la chaleur sensible avec le matériau Ceram9 à des températures modérées (TH autour de 340- 343°C): (a) évolution de la température axiale en fonction de la longueur du réservoir de stockage ; (b) température d’entrée (T1 ) et de sortie (T2) et taux de décharge (qdiS) en fonction du temps de décharge ; FIG. 15 relates to the discharge phase during the test of storage of the sensible heat with the material Ceram9 at moderate temperatures (T H around 340-343 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and discharge rate (q diS ) as a function of the discharge time;
- la figure 16 concerne la phase de charge lors du test de stockage de la chaleur sensible avec le matériau Ceram9 à des températures moyennement élevées (TH autour de 520°C): (a) évolution de la température axiale en fonction de la longueur du réservoir de stockage ; (b) température d’entrée (T1 ) et de sortie (T2) et taux de charge (qCh9) en fonction du temps de charge ; FIG. 16 relates to the charge phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram9 material at moderately high temperatures (T H around 520 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and charge rate (q C h 9 ) as a function of charging time;
- la figure 17 concerne la phase de décharge lors du test de stockage de la chaleur sensible avec le matériau Ceram9 à des températures moyennement élevées (TH autour de 520°C): (a) évolution de la température axiale en fonction de la longueur du réservoir de stockage ; (b) température d’entrée (T1 ) et de sortie (T2) et taux de décharge (h^) en fonction du temps de charge ; FIG. 17 relates to the discharge phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram9 material at moderately high temperatures (T H around 520 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the tank storage; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and discharge rate (h ^) as a function of charging time;
- la figure 18 concerne la phase de charge lors du test de stockage de la chaleur sensible avec le matériau Ceram9 à des températures élevées (TH autour de 760°C): (a) évolution de la température axiale en fonction de la longueur du réservoir de stockage ; (b) température d’entrée (T1 ) et de sortie (T2) et le taux de charge (nChg) en fonction du temps de charge ; FIG. 18 relates to the charge phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram9 material at high temperatures (T H around 760 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and charge rate (n Chg ) as a function of charging time;
- la figure 19 concerne la phase de décharge lors du test de stockage de la chaleur sensible avec le matériau Ceram9 à des températures élevées (TH autour de 760°C): (a) évolution de la température axiale en fonction de la longueur du réservoir de stockage ; (b) température d’entrée (T1 ) et de sortie (T2) et le taux de décharge (ndiS) en fonction du temps de décharge ; FIG. 19 relates to the discharge phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram9 material at high temperatures (T H around 760 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and discharge rate (n diS ) as a function of the discharge time;
- la figure 20 concerne la phase de charge lors du test de stockage de la chaleur sensible avec le matériau Ceram35 à des températures modérées (TH autour de 350°C): (a) évolution de la température axiale en fonction de la longueur du réservoir de stockage ; (b) température d’entrée (T1 ) et de sortie (T2) et le taux de charge (nChg) en fonction du temps de charge ; FIG. 20 relates to the charging phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram35 material at moderate temperatures (T H around 350 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and charge rate (n Chg ) as a function of charging time;
- la figure 21 concerne la phase de décharge lors du test de stockage de la chaleur sensible avec le matériau Ceram35 à des températures modérées (TH autour de 350°C): (a) évolution de la température axiale en fonction de la longueur du réservoir de stockage ; (b) température d’entrée (T1 ) et de sortie (T2) et taux de décharge (ndiS) en fonction du temps de décharge ; FIG. 21 relates to the discharge phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram35 material at moderate temperatures (T H around 350 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet temperature (T1) and outlet temperature (T2) and discharge rate (n diS ) as a function of the discharge time;
- la figure 22 concerne la phase de charge lors du test de stockage de la chaleur sensible avec le matériau Ceram35 à des températures moyennement élevées (TH autour de 580°C): (a) évolution de la température axiale en fonction de la longueur du réservoir de stockage ; (b) température d’entrée (T1 ) et de sortie (T2) et taux de charge (nChg) en fonction du temps de charge ; FIG. 22 relates to the charging phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram35 material at moderately high temperatures (T H around 580 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and charge rate (n Chg ) as a function of charging time;
- la figure 23 concerne la phase de décharge lors du test de stockage de la chaleur sensible avec le matériau MC/PN à des températures moyennement élevées (TH autour de 580°C): (a) évolution de la température axiale en fonction de la longueur du réservoir de stockage ; (b) température d’entrée (T1 ) et de sortie (T2) et taux de décharge (ndiS) en fonction du temps de décharge ; FIG. 23 relates to the discharge phase during the test of storage of the sensible heat with the MC / PN material at moderately high temperatures (T H around 580 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet temperature (T1) and outlet temperature (T2) and discharge rate (n diS ) as a function of the discharge time;
- la figure 24 concerne la phase de charge lors du test de stockage de la chaleur sensible avec le matériau Ceram35 à des hautes températures (TH autour de 850°C): (a) évolution de la température axiale en fonction de la longueur du réservoir de stockage ; (b) température d’entrée (T1 ) et de sortie (T2) et taux de charge (nChg) en fonction du temps de charge ; - la figure 25 concerne la phase de décharge lors du test de stockage de la chaleur sensible avec le matériau MC/PN à des températures élevées (TH autour de 850°C): (a) évolution de la température axiale en fonction de la longueur du réservoir de stockage ; (b) température d’entrée (T1 ) et de sortie (T2) et taux de décharge (qdis) en fonction du temps de décharge. FIG. 24 relates to the charging phase during the test of storage of the sensible heat with the Ceram35 material at high temperatures (T H around 850 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and charge rate (n Chg ) as a function of charging time; FIG. 25 relates to the discharge phase during the test of storage of the sensible heat with the MC / PN material at high temperatures (T H around 850 ° C.): (a) evolution of the axial temperature as a function of the length of the storage tank; (b) inlet (T1) and outlet (T2) temperature and discharge rate (q d is) as a function of the discharge time.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L’INVENTIONDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION
Les inventeurs ont mis en évidence la possibilité d’obtenir un matériau céramique présentant une excellente aptitude au stockage thermique d’énergie en mélangeant des particules d’argile, de sable, de phosphate, et de l’eau. Ledit mélange peut en effet présenter une plasticité favorable pour la mise en oeuvre de différentes techniques, telles que l’extrusion, la granulation, le moulage ou le pressage, qui permettent de mettre le matériau céramique sous une forme adaptée au stockage thermique d’énergie. The inventors have demonstrated the possibility of obtaining a ceramic material having excellent thermal energy storage ability by mixing particles of clay, sand, phosphate, and water. Said mixture may in fact have a favorable plasticity for the implementation of various techniques, such as extrusion, granulation, molding or pressing, which make it possible to put the ceramic material in a form suitable for the thermal storage of energy. .
Dans le présent texte, on entend par céramique un matériau sous forme solide ayant subi un cycle de cuisson.  In the present text, ceramic means a material in solid form having undergone a firing cycle.
Les céramiques de terre cuite conventionnelles sont fabriquées à partir d’un mélange d’argile, de sable et de l’eau.  Conventional terracotta ceramics are made from a mixture of clay, sand and water.
Les argiles ont une structure sous forme de feuillets permettant aux molécules d’eau de s’interposer entre lesdits feuillets. Cela leur confère une propriété plastique et leur offre la possibilité d’être utilisées comme agents plastifiants ou structurants. La propriété plastique des argiles est un paramètre décisif pour la mise en forme des matériaux céramiques de terre cuite.  The clays have a structure in the form of sheets allowing water molecules to interpose between said sheets. This gives them a plastic property and offers them the possibility of being used as plasticizing or structuring agents. The plastic property of clays is a decisive parameter for shaping ceramic earthenware materials.
Globalement, les argiles existent sous plusieurs formes minéralogiques regroupées en quatre familles [5]. Ce sont les kaolinites (A S^OsODH^), les illites (K(AI,Mg,Fe)2(Si,AI)40io[(OH)2,H20], les smectites ((Ca,Na)0,3Overall, clays exist in several mineralogical forms grouped into four families [5]. These are the kaolinites (AS ^ OsODH ^), the illites (K (AI, Mg, Fe) 2 (Si, Al) 40 [(OH) 2, H 2 0], the smectites ((Ca, Na) 0 , 3
(AI,Mg,Fe)2(Si,AI)40io(OH)2.nH20) et les chlorites. (Al, Mg, Fe) 2 (Si, Al) 40 (OH) 2.nH 2 O) and chlorites.
L'argile est un matériau naturel, disponible en quantité industrielle avec une bonne plasticité par rapport à plusieurs autres liants comme l’alcool polyvinylique, la gélatine, le polyéthylène glycol ou encore l’acide polyacrylique qui sont utilisés dans différents procédés industriels.  Clay is a natural material, available in industrial quantities with good plasticity compared to several other binders such as polyvinyl alcohol, gelatin, polyethylene glycol or polyacrylic acid which are used in various industrial processes.
Les sables sont des matériaux inertes sans plasticité qui sont essentiellement composés de quartz et d’autres minéraux comme les feldspaths et les micas. Dans l’industrie de la terre cuite, les sables sont utilisés comme dégraissants pour faciliter l’étape de séchage. Leur utilisation permet d'obtenir dans la matrice argileuse un squelette propice à la déshydratation des minéraux argileux. Cela empêche les retraits importants pouvant conduire à la fissuration des matériaux.  Sands are inert materials with no plasticity and are mainly composed of quartz and other minerals such as feldspars and micas. In the terracotta industry, sands are used as degreasers to facilitate the drying step. Their use makes it possible to obtain in the clay matrix a skeleton favorable to the dehydration of clay minerals. This prevents large shrinkage that can lead to cracking of materials.
Il existe une famille importante de phosphates, qui sont soit naturels (minerais de phosphates), soit synthétiques. Ils sont formés à partir des anions de phosphates (orthophosphate (P04)3 ) et des cations métalliques M où M peut être un alcalin, un alcalino-terreux ou un quelconque métal du tableau périodique des éléments. Cette diversité permet d’obtenir des produits phosphatés de propriétés très variées. There is a large family of phosphates, which are either natural (phosphate ores) or synthetic. They are formed from phosphate anions (orthophosphate (PO 4 ) 3 ) and metal cations M where M can be an alkali, an alkaline earth metal or any metal of the periodic table of the elements. This diversity makes it possible to obtain phosphate products of very varied properties.
Le phosphate utilisé dans la présente invention peut être un phosphate naturel (c’est-à-dire un minerai de phosphate) ou un phosphate synthétique tel que l’hydroxyapatite (Caio(P04)6(OH)2), voire un mélange de ces deux types de phosphate. The phosphate used in the present invention may be a natural phosphate (that is to say a phosphate ore) or a synthetic phosphate such as hydroxyapatite (Caio (PO 4 ) 6 (OH) 2 ), or a mixture of these two types of phosphate.
La présence d’un phosphate incorporé au sein de la matrice d’argile (qui contient en outre éventuellement du sable) permet d’améliorer des propriétés physiques, thermiques et mécaniques du matériau céramique, notamment la densité, la conductivité thermique, le pouvoir calorifique ou encore la stabilité mécanique.  The presence of a phosphate incorporated in the clay matrix (which optionally also contains sand) makes it possible to improve the physical, thermal and mechanical properties of the ceramic material, in particular the density, the thermal conductivity and the heating value. or else the mechanical stability.
Selon un mode de réalisation avantageux, l’extrusion est une technique de mise en forme simple et maîtrisée pour la production à grande échelle industrielle des matériaux céramiques destinés au stockage thermique d’énergie, et qui est adaptée pour le mélange décrit plus haut. L’extrusion consiste à faire passer le mélange, à une pression contrôlée, à travers une double hélice, puis une vis sans fin avant de le faire sortir par une filière sous une forme monolithique. Cette technique permet d’obtenir des matériaux céramiques sous différentes formes : cylindrique, alvéolaire, plaque plane, plaque ondulée, brique creuse, etc. L’homme du métier choisit la taille et la forme des matériaux céramiques afin de contrôler les échanges thermiques lors du stockage et du déstockage de la chaleur sensible.  According to an advantageous embodiment, extrusion is a simple and controlled shaping technique for the large-scale production of ceramic materials for thermal energy storage, and which is suitable for the mixture described above. The extrusion consists in passing the mixture, at a controlled pressure, through a double helix, then an endless screw before extracting it by a die in a monolithic form. This technique makes it possible to obtain ceramic materials in different forms: cylindrical, alveolar, flat plate, corrugated plate, hollow brick, etc. The skilled person chooses the size and shape of ceramic materials to control heat exchange during storage and retrieval of sensitive heat.
Cependant, ce mode de réalisation n’est pas limitatif et le mélange peut être mis en forme par d’autres techniques telle que la granulation, le moulage, le compactage ou le pressage. Par exemple, la granulation est avantageuse en ce qu’elle permet d’obtenir des matériaux de forme sphérique de différentes tailles.  However, this embodiment is not limiting and the mixture can be shaped by other techniques such as granulation, molding, compaction or pressing. For example, granulation is advantageous in that it makes it possible to obtain materials of spherical shape of different sizes.
D’une manière générale, le matériau céramique peut présenter les formes suivantes : cylindre, sphère, cube, spirale, plaque plane, plaque ondulée, brique creuse, anneau de Raschig (liste non limitative). L’homme du métier choisira la technique de mise en forme en fonction de la forme souhaitée.  In general, the ceramic material may have the following forms: cylinder, sphere, cube, spiral, flat plate, corrugated plate, hollow brick, Raschig ring (non-limiting list). Those skilled in the art will choose the shaping technique according to the desired shape.
La composition du mélange est contrôlée pour avoir une bonne plasticité en vue de l’étape de mise en forme, et pour obtenir des propriétés physiques, thermiques et mécaniques appropriées pour le stockage de la chaleur sensible.  The composition of the mixture is controlled to have good plasticity for the shaping step, and to obtain physical, thermal and mechanical properties suitable for the storage of sensible heat.
A cet effet, la teneur en phosphate ajouté peut atteindre jusqu’à 40% en masse (soit 17% en masse en P205), et est comprise entre 0,5% et 40%, de préférence comprise entre 4% et 5% en masse (dans le présent texte, la masse de référence est celle du mélange sec (n’incluant pas l’eau ajoutée)). Dans tous les cas, la teneur en phosphate est non nulle. Une teneur en phosphate d’au moins 0,5% en masse permet d’améliorer significativement la conductivité thermique et la résistance mécanique des céramiques. Une teneur en phosphate inférieure à 40% en masse permet de garantir une bonne plasticité du mélange d’argile, de phosphate, et d’eau et facilite sa mise en forme ultérieure. For this purpose, the added phosphate content can reach up to 40% by weight (ie 17% by mass in P 2 0 5 ), and is between 0.5% and 40%, preferably between 4% and 5% by weight (in the present text, the reference mass is that of the dry mixture (not including the added water)). In all cases, the phosphate content is non-zero. A phosphate content of at least 0.5% by weight makes it possible to significantly improve the thermal conductivity and the mechanical strength of the ceramics. A phosphate content of less than 40% by weight makes it possible to guarantee a good plasticity of the mixture of clay, phosphate, and water and facilitates its subsequent shaping.
La teneur en sable peut varier entre 0 et 40% en masse, de préférence entre 10 et 30%. La teneur en sable dépend de la nature du mélange argileux (gisement d’origine). Le phosphate peut remplacer tout ou partie du sable. Ainsi, il est possible de s’affranchir de sable dans le mélange par exemple quand on ajoute des quantités importantes de phosphate (de l’ordre de 20 à 40%). Dans la suite du texte, par souci de concision, le terme « matrice argile-sable » couvre une éventuelle absence de sable.  The sand content may vary between 0 and 40% by weight, preferably between 10 and 30%. The sand content depends on the nature of the clay mixture (original deposit). Phosphate can replace all or part of the sand. Thus, it is possible to get rid of sand in the mixture, for example when large amounts of phosphate (of the order of 20 to 40%) are added. In the rest of the text, for the sake of brevity, the term "clay-sand matrix" covers a possible absence of sand.
La teneur en argile peut varier entre 50 et 90% en masse, de préférence entre 60 et 80%.  The clay content can vary between 50 and 90% by weight, preferably between 60 and 80%.
La teneur en eau est ajustée de manière à conférer au mélange une consistance pâteuse, dont la viscosité est adaptée à la technique de mise en forme retenue. Cette eau sera éliminée au cours des traitements thermiques ultérieurs (à savoir le séchage et la cuisson).  The water content is adjusted so as to give the mixture a pasty consistency, the viscosity of which is adapted to the shaping technique adopted. This water will be removed during subsequent heat treatments (ie drying and cooking).
La taille des particules du mélange est également contrôlée car elle influe sur les propriétés finales du matériau céramique. Par taille on entend dans le présent texte le diamètre d’une sphère présentant le même volume que la particule considérée ; dans le cas d’une particule sphérique, la taille est le diamètre de la particule. Dans la mesure où les particules présentent généralement une taille variable dans une gamme déterminée, on considère la taille médiane, notée d5o, c’est-à-dire la taille pour laquelle 50% des particules présentent une taille inférieure et 50% des particules présentent une taille supérieure. The particle size of the mixture is also controlled because it influences the final properties of the ceramic material. By size we mean in the present text the diameter of a sphere having the same volume as the particle considered; in the case of a spherical particle, the size is the diameter of the particle. To the extent that the particles generally have a variable size in a specific range, the median size is considered, denoted d 5 o, that is to say the size for which 50% of the particles are smaller and 50% of particles have a larger size.
Ainsi, la taille d50 des particules de phosphate est avantageusement inférieure à 1 mm ; celle de l’argile et du sable est de préférence inférieure à 1 et 1 ,5 mm, respectivement. Thus, the size d 50 of the phosphate particles is preferably less than 1 mm; that of clay and sand is preferably less than 1 and 1.5 mm, respectively.
Après l’étape de mise en forme, des traitements thermiques par séchage et par cuisson sont appliqués.  After the shaping step, heat treatments by drying and baking are applied.
Le séchage est avantageusement réalisé par paliers, à différentes températures qui ne dépassent pas 105°C. Selon une forme d’exécution préférée, le séchage comprend successivement un premier palier à 25°C, un deuxième palier à 45°C, un troisième palier à 70 et un quatrième palier à 105°C. Chaque palier est appliqué pendant une durée déterminée qui peut être identique ou différente d’un palier à l’autre. De préférence, la durée de chaque palier est de 24h. Un tel séchage par paliers permet d’évacuer l’eau de manière progressive et ainsi d’éviter de générer des contraintes dans le matériau. A l’issue du séchage, le matériau ne contient en principe plus d’eau.  The drying is advantageously carried out in stages, at different temperatures which do not exceed 105 ° C. In a preferred embodiment, the drying comprises successively a first bearing at 25 ° C, a second bearing at 45 ° C, a third bearing at 70 and a fourth bearing at 105 ° C. Each step is applied for a fixed period of time which may be identical or different from one step to another. Preferably, the duration of each stage is 24 hours. Such stepwise drying makes it possible to evacuate the water in a progressive manner and thus to avoid generating stress in the material. After drying, the material does not contain any more water.
La cuisson est réalisée après l’étape de séchage. Elle peut être faite dans un four statique ou dans un four tunnel. Une rampe modérée de montée en température est appliquée, de préférence 5°C/min, afin d’éviter de générer des contraintes dans le matériau. La température de cuisson appliquée peut varier entre 800 et 1200°C, de préférence entre 900 et 1 150°C. Le palier à la température de cuisson est compris entre 0,5 et 5 h, de préférence 1 h. The cooking is carried out after the drying step. It can be done in a static oven or in a tunnel oven. A moderate rise ramp is applied, preferably 5 ° C / min, in order to avoid generating stress in the material. The firing temperature applied may vary between 800 and 1200 ° C, preferably between 900 and 1150 ° C. The bearing at the cooking temperature is between 0.5 and 5 h, preferably 1 h.
A l’issue de l’étape de séchage, le matériau céramique présente une matrice argile-sable dans laquelle sont dispersées des particules de phosphate.  At the end of the drying step, the ceramic material has a clay-sand matrix in which are dispersed phosphate particles.
Comme les résultats expérimentaux présentés ci-après le démontrent, ledit matériau céramique présente de bonnes propriétés de stockage thermique d’énergie.  As the experimental results presented below demonstrate, said ceramic material has good thermal energy storage properties.
Le matériau céramique peut donc être utilisé pour la mise en oeuvre d’un procédé de stockage thermique d’énergie. A cet effet, le matériau céramique est mis en contact avec un fluide caloporteur de manière à permettre un échange de chaleur :  The ceramic material can therefore be used for the implementation of a thermal energy storage method. For this purpose, the ceramic material is brought into contact with a heat transfer fluid so as to allow heat exchange:
- dans une phase de charge, le fluide caloporteur est à une température élevée, supérieure à celle du matériau céramique ; la chaleur est transférée du fluide caloporteur au matériau céramique, et emmagasinée dans ledit matériau pendant la durée de stockage souhaitée ;  in a charging phase, the coolant is at an elevated temperature, higher than that of the ceramic material; the heat is transferred from the coolant to the ceramic material, and stored in said material for the desired storage time;
- dans une phase de décharge, le fluide caloporteur est à une température basse, inférieure à celle du matériau céramique ; la chaleur stockée dans le matériau céramique est alors transférée au fluide caloporteur.  - In a discharge phase, the heat transfer fluid is at a low temperature, lower than that of the ceramic material; the heat stored in the ceramic material is then transferred to the coolant.
La chaleur ainsi déchargée peut être utilisée pour la génération d’électricité, pour le chauffage d’un local, ou pour toute autre utilisation.  The heat thus discharged can be used for the generation of electricity, for the heating of a room, or for any other use.
Le fluide caloporteur peut être un gaz ou un liquide. Par exemple, mais de manière non limitative, le fluide caloporteur peut être de l’air, de la vapeur d’eau, une huile ou un sel fondu.  The coolant can be a gas or a liquid. For example, but without limitation, the coolant may be air, water vapor, an oil or a molten salt.
Pour la mise en oeuvre dudit procédé de stockage thermique, le matériau céramique se présente sous la forme d’une pluralité d’unités qui constituent ensemble un garnissage. La taille et la forme de ces unités est choisie pour maximiser la surface de contact avec le fluide caloporteur.  For carrying out said thermal storage method, the ceramic material is in the form of a plurality of units which together constitute a lining. The size and shape of these units is chosen to maximize the contact surface with the coolant.
Ledit garnissage est agencé dans un réservoir qui est en un ou des matériau(x) thermiquement isolant(s).  Said lining is arranged in a tank which is in one or thermally insulating material (s).
Le réservoir est en liaison fluidique avec un circuit de fluide caloporteur. De manière avantageuse, le réservoir présente une entrée et une sortie de fluide caloporteur, agencées l’une par rapport à l’autre de manière à assurer une surface de contact aussi grande que possible entre le fluide caloporteur et le matériau céramique qui compose le garnissage. Par exemple, le réservoir présente une forme cylindrique s’étendant horizontalement, et l’entrée et la sortie de fluide caloporteur sont agencées chacune à une extrémité du réservoir.  The reservoir is in fluid connection with a coolant circuit. Advantageously, the reservoir has an inlet and a heat transfer fluid outlet, arranged relative to each other so as to ensure a contact surface as large as possible between the heat transfer fluid and the ceramic material that makes up the packing. . For example, the reservoir has a cylindrical shape extending horizontally, and the inlet and the heat transfer fluid outlet are each arranged at one end of the reservoir.
Selon la phase de charge ou de décharge, le sens de circulation du fluide caloporteur au sein du réservoir peut être inversé : les termes « entrée » et « sortie » sont donc relatifs. Un tel dispositif peut notamment être mis en place dans une centrale solaire à concentration, mais également dans toute installation nécessitant un stockage d’énergie sensible. RESULTATS EXPERIMENTAUX Depending on the charge or discharge phase, the direction of circulation of the coolant within the tank can be reversed: the terms "input" and "output" are therefore relative. Such a device can in particular be implemented in a concentrated solar power station, but also in any installation requiring storage of sensitive energy. EXPERIMENTAL RESULTS
Plusieurs matériaux céramiques ont été fabriqués par extrusion comme défini dans le Tableau 1. Les paramètres étudiés sont : la composition du mélange, la taille des particules de phosphate, et la température de cuisson. Comme indiqué plus haut, le séchage a été réalisé à 25, 45, 70 et 105°C avec un palier de 24h à chaque température. Les matériaux ne contenant pas de phosphate (CeramO, Ceraml , Ceram2) sont considérés comme échantillons de référence.  Several ceramic materials have been manufactured by extrusion as defined in Table 1. The parameters studied are: the composition of the mixture, the size of the phosphate particles, and the cooking temperature. As indicated above, the drying was carried out at 25, 45, 70 and 105 ° C with a 24 hour stage at each temperature. Materials containing no phosphate (CeramO, Ceraml, Ceram2) are considered as reference samples.
Tableau 1 : Liste des matériaux préparés et caractéristiques associées  Table 1: List of prepared materials and associated characteristics
Dans le présent texte, l’acronyme CP désigne l’hydroxyapatite synthétique de formule (Caio(P04)6(OH)2), dont la taille d5o est de 5 pm ; l’acronyme PN désigne un minerai de phosphate contenant majoritairement P205 (30,4%), Si02 (3,2%), Na20 (0,7%), Al203 (0,5%), MgO (0,4%), Fe203 (0,3%), K20 (0,1%) (pourcentages massiques). In the present text, the acronym CP designates synthetic hydroxyapatite of formula (Caio (P0 4) 6 (OH) 2), whose size is d 5 o of 5 pm; the acronym PN denotes a phosphate ore containing predominantly P 2 O 5 (30.4%), SiO 2 (3.2%), Na 2 O (0.7%), Al 2 O 3 (0.5% ), MgO (0.4%), Fe 2 O 3 (0.3%), K 2 O (0.1%) (percentages by weight).
La répartition des éléments majeurs présents dans certaines de ces céramiques a été étudiée par la technique MEB-EDX (Microscopie Electronique à Balayage associée à la microanalyse par Energie Dispersive de rayons X) et les résultats sont montrés dans les Figures 1 , 2 et 3. Sur la Figure 1 (pour l’échantillon Ceraml ), on retrouve des éléments principaux de l’argile et du sable comme Ca, Si, Al, Fe. Le phosphore est seulement à l’état de trace. Au contraire, sur les Figures 2 et 3, le phosphore est bien présent dans les céramiques élaborées avec 16,7% en masse de CP ou de PN. Il apparaît aussi que le phosphore est réparti de façon homogène dans la matrice d’argile- sable lorsque CP est utilisé alors qu’il est moins homogène lorsque PN est utilisé. En effet, les particules de CP sont plus petites que celles de PN et peuvent donc plus facilement s’insérer dans la matrice d’argile-sable.  The distribution of the major elements present in some of these ceramics was studied by the MEB-EDX technique (Scanning Electron Microscopy associated with the X-ray Dispersive Energy Microanalysis) and the results are shown in Figures 1, 2 and 3. In Figure 1 (for the Ceraml sample), we find main elements of clay and sand such as Ca, Si, Al, Fe. Phosphorus is only in trace. On the contrary, in Figures 2 and 3, phosphorus is present in ceramics made with 16.7% by weight of CP or PN. It also appears that the phosphorus is homogeneously distributed in the clay-sand matrix when CP is used while it is less homogeneous when PN is used. Indeed, CP particles are smaller than those of PN and can therefore more easily fit into the clay-sand matrix.
La conductivité thermique est un paramètre important des matériaux céramiques en stockage de la chaleur sensible. En effet, elle influence directement le transfert de chaleur au sein des matériaux, pendant les phases de charge et de décharge. Les Figures 4 et 5 présentent l’évolution de la conductivité thermique en fonction de la teneur en CP ou en PN et de la température de cuisson. La mesure a été réalisée par la méthode Hot Disk en utilisant une sonde de type Kapton (N° 5465). Toutes les mesures ont été réalisées à 25°C sur des céramiques cuites. Ladite méthode Hot Disk se base sur l’utilisation d’une sonde placée entre les échantillons à caractériser. Les échantillons peuvent être sous forme de poudre (dans ce cas un porte échantillon est utilisé) ou sous forme monolithique. La sonde est un élément résistif agissant à la fois comme une source de chaleur mince, latéralement limitée, et comme un capteur de température. Elle est constituée d’un film de nickel de 10 pm d’épaisseur enrobé d’un film de 25 à 30 pm d’épaisseur en kapton ou de 100 pm d’épaisseur en mica. Sur le film métallique est dessiné un circuit en double spirale. Pendant la mesure, l’augmentation de température dans le capteur est déterminée avec précision par la mesure de résistance électrique. Cette augmentation de température dépend fortement des propriétés de transport thermique du matériau. En surveillant cette augmentation de température pendant un court laps de temps, il est possible d’obtenir des informations précises sur les propriétés thermiques du matériau caractérisé. Thermal conductivity is an important parameter of ceramic materials in storage of sensible heat. Indeed, it directly influences the heat transfer within the materials during the charging and discharging phases. Figures 4 and 5 show the evolution of the thermal conductivity as a function of the CP or PN content and the cooking temperature. The measurement was carried out by the Hot Disk method using a Kapton type probe (No. 5465). All measurements were carried out at 25 ° C on fired ceramics. Said Hot Disk method is based on the use of a probe placed between the samples to be characterized. Samples can be in powder form (in this case a sample holder is used) or in monolithic form. The probe is a resistive element acting both as a thin heat source, laterally limited, and as a temperature sensor. It consists of a 10 μm thick nickel film coated with a film of 25 to 30 μm thick kapton or 100 μm thick mica. On the metal film is drawn a double spiral circuit. During the measurement, the temperature rise in the sensor is accurately determined by the electrical resistance measurement. This increase in temperature strongly depends on the thermal transport properties of the material. By monitoring this temperature increase for a short time, it is possible to obtain accurate information on the thermal properties of the characterized material.
En général, l’ajout de phosphate permet d’augmenter la conductivité thermique des céramiques conventionnelles de terre cuite. Cette augmentation peut atteindre jusqu’à 20% par rapport à une céramique en terre cuite sans phosphate. La conductivité thermique peut donc atteindre celle du béton qui présente une conductivité de l’ordre de 1 à 1 ,2 W/m.K [4] Le fait que les particules de phosphate s’insèrent dans la microstructure de la matrice d’argile-sable permet de réduire les poches d’air (porosités) dans la structure de ladite matrice et par conséquent de limiter la résistance au parcours de la chaleur. Il en résulte donc une amélioration de la conductivité thermique. Pour une teneur de 5% en masse en phosphate, la conductivité thermique augmente d’environ 7 % (avec PN, cuit à 1100°C) et de 1 1% (avec CP, cuit à 1 100°C) par rapport à une céramique dépourvue de phosphate. Ainsi, une teneur en phosphate d’au moins 0,5% en masse permet d’améliorer significativement la conductivité thermique des céramiques.  In general, the addition of phosphate makes it possible to increase the thermal conductivity of conventional terracotta ceramics. This increase can reach up to 20% compared to a ceramic tile without phosphate. The thermal conductivity can thus reach that of concrete which has a conductivity of the order of 1 to 1, 2 W / mK [4] The fact that the phosphate particles are inserted in the microstructure of the clay-sand matrix reduces the air pockets (porosity) in the structure of said matrix and therefore limit the resistance to the path of heat. This results in an improvement of the thermal conductivity. For a content of 5% by weight of phosphate, the thermal conductivity increases by about 7% (with PN, cooked at 1100 ° C.) and by 11% (with CP, baked at 1100 ° C.) compared with ceramic without phosphate. Thus, a phosphate content of at least 0.5% by weight makes it possible to significantly improve the thermal conductivity of ceramics.
Par ailleurs, quelle que soit la nature du phosphate, la conductivité thermique augmente avec l’augmentation de la température de cuisson. Cela s’explique par la densification et le frittage des céramiques. D’une manière générale, la température de cuisson de préférence est entre 900 à 1150°C.  Moreover, whatever the nature of the phosphate, the thermal conductivity increases with the increase of the cooking temperature. This is due to the densification and sintering of ceramics. In general, the firing temperature is preferably between 900 and 1150 ° C.
En général, la conductivité thermique varie avec la température à laquelle le matériau est exposé. Des mesures en dynamique entre 30 et 1000°C ont été effectuées avec une machine LFA 547™ de NETSCH. Les conditions de ces mesures sont les suivantes : atmosphère : air ; vitesse de chauffe : 5°C/min ; température : 30-1000°C, flash : 1826 V ; critère de stabilisation : linéaire (« baseline »). La Figure 6 présente l’évolution de la conductivité thermique des céramiques avec ou sans ajout de phosphate en fonction de la température. Les céramiques ont été précédemment cuites à 1 100°C. Il est clairement observé que les deux céramiques contenant du phosphate ont une conductivité thermique plus élevée que celle de la céramique sans phosphate dans la plage de température étudiée. Une augmentation d’environ 20% est ainsi observée à 900°C. Dans ce cas, il y a peu d’influence de la nature de phosphate sur la conductivité thermique. In general, the thermal conductivity varies with the temperature at which the material is exposed. Measurements in dynamics between 30 and 1000 ° C were carried out with a machine LFA 547 ™ of NETSCH. The conditions of these measurements are as follows: atmosphere: air; heating rate: 5 ° C / min; temperature: 30-1000 ° C, flash: 1826 V; stabilization criterion: linear ("baseline"). Figure 6 shows the evolution of the thermal conductivity of ceramics with or without the addition of phosphate depending on the temperature. The ceramics were previously fired at 1100 ° C. It is clearly observed that the two ceramics containing phosphate have a higher thermal conductivity than that of the phosphate-free ceramic in the temperature range studied. An increase of about 20% is thus observed at 900 ° C. In this case, there is little influence of the phosphate nature on the thermal conductivity.
La résistance mécanique est également un paramètre important des matériaux céramiques pour le stockage de la chaleur sensible. Les Figures 7 et 8 montrent l’évolution de la contrainte de rupture en flexion trois points des céramiques préparées avec ou sans ajout de phosphate. La mesure a été réalisée à 25°C sur des éprouvettes de dimension 60mm x 15mm x 9mm en flexion à l’aide d’une machine INSTRON™. Les caractéristiques du test de flexion trois points sont les suivantes : vitesse de déplacement : 2 mm/min ; cellule : 500N ; diamètre des rouleaux supports : 5 mm ; diamètre du rouleau d’appui central : 5 mm ; écart entre les rouleaux : 40 mm ; fin de l’essai : rupture de l’éprouvette ; température : ambiante (20°C). Quelle que soit la température de cuisson utilisée, l’ajout de CP a permis d’augmenter la résistance mécanique des céramiques (cf. Figure 7). En particulier, en référence au graphe de la figure 7, une teneur en phosphate d’au moins 0,5% en masse permet d’améliorer significativement la résistance mécanique des céramiques. L’insertion des particules fines de CP au sein de la matrice d’argile-sable développe une nouvelle microstructure et contribue donc à renforcer la structure globale en éliminant des pores présents dans la céramique initialement sans phosphate. Par contre, l’ajout des particules de PN, dont la taille des particules est de 100 pm, diminue faiblement la résistance mécanique (cf. Figure 8).  Mechanical strength is also an important parameter of ceramic materials for the storage of sensible heat. Figures 7 and 8 show the evolution of the three-point bending fracture stress of ceramics prepared with or without the addition of phosphate. The measurement was carried out at 25 ° C. on specimens 60mm x 15mm x 9mm in flexion using an INSTRON ™ machine. The characteristics of the three-point bending test are as follows: travel speed: 2 mm / min; cell: 500N; diameter of the support rollers: 5 mm; diameter of the central support roller: 5 mm; gap between the rollers: 40 mm; end of the test: rupture of the test piece; temperature: ambient (20 ° C). Whatever the cooking temperature used, the addition of CP made it possible to increase the mechanical strength of ceramics (see Figure 7). In particular, with reference to the graph of FIG. 7, a phosphate content of at least 0.5% by weight makes it possible to significantly improve the mechanical strength of ceramics. The insertion of the fine particles of CP into the clay-sand matrix develops a new microstructure and thus contributes to strengthening the overall structure by removing pores present in the initially phosphate-free ceramic. On the other hand, the addition of PN particles, whose particle size is 100 μm, weakly decreases the mechanical strength (see Figure 8).
D’autre part, des mesures de la résistance mécanique en dynamique par la résonance acoustique entre 30 et 1050°C ont été réalisées sur des céramiques avec ou sans ajout de phosphate, qui ont précédemment été cuites à 1 100°C. Ces mesures ont été réalisées avec un four FDA HT650 commercialisé par IMCE ™, équipé avec un microphone dont la sensibilité est de 20 Hz à 50 kHz ; les tests ont été réalisés dans l’air, avec des températures variant de 30 à 1050°C, selon une vitesse de chauffe de 5°C/min. La Figure 9 montre les résultats obtenus. La céramique contenant 4,7% de CP est bien plus résistante que celle sans phosphate dans la plage de température étudiée. La différence est estimée à près de 25%.  On the other hand, measurements of the mechanical resistance in dynamics by acoustic resonance between 30 and 1050 ° C were carried out on ceramics with or without addition of phosphate, which were previously fired at 1100 ° C. These measurements were carried out with an FDA HT650 oven marketed by IMCE ™, equipped with a microphone whose sensitivity is from 20 Hz to 50 kHz; the tests were carried out in the air, with temperatures ranging from 30 to 1050 ° C., according to a heating rate of 5 ° C./min. Figure 9 shows the results obtained. The ceramic containing 4.7% CP is much more resistant than the one without phosphate in the temperature range studied. The difference is estimated at nearly 25%.
En stockage de la chaleur sensible, la chaleur spécifique d’un matériau est un paramètre important car il est directement proportionnel à la quantité de chaleur stockée (cf. équation (1 )). La Figure 10 montre la chaleur spécifique de céramiques sans phosphate ou avec l’ajout de 4,7% en masse de CP et 5% en masse de PN dans la gamme de température de 30 à 1000°C. Les céramiques ont précédemment été cuites à 1 100°C. Pour les trois matériaux, la chaleur spécifique augmente avec l’augmentation de la température. Celle de la céramique sans phosphate varie de 0,74 J/g. K à 30°C jusqu’à 1 ,16 J/g. K à 1000°C ; celle de la céramique contenant du CP varie de 0,77 J/g. K à 30°C à 1 ,19 J/g. K à 1000°C ; et celle de la céramique contenant du PN varie de 0,75 à 30°C à 1 ,16J/g.K à 1000°C. In the storage of sensible heat, the specific heat of a material is an important parameter because it is directly proportional to the quantity of heat stored (see equation (1)). Figure 10 shows the specific heat of non-phosphate ceramics or with the addition of 4.7 wt% CP and 5 wt% PN in the temperature range of 30 to 1000 ° C. The ceramics were previously fired at 1100 ° C. For the three materials, the specific heat increases with the increase of temperature. That of non-phosphate ceramic varies from 0.74 J / g. K at 30 ° C to 1.16 J / g. K at 1000 ° C; that of the ceramic containing CP varies from 0.77 J / g. K at 30 ° C at 1.19 J / g. K at 1000 ° C; and that of the ceramic containing PN ranges from 0.75 to 30 ° C to 1.16 J / gK at 1000 ° C.
Concernant le PN qui est un minerai, les particules fines sont obtenues par broyage. Concerning the NP which is an ore, the fine particles are obtained by grinding.
La Figure 11 montre l’évolution de la contrainte de rupture en flexion en fonction de la taille moyenne des particules de PN. La teneur en PN a été fixée à 4,7% en masse. Plus la taille moyenne des particules de PN est petite, plus la contrainte de rupture en flexion est grande. Figure 11 shows the evolution of flexural fracture stress as a function of the average particle size of PN. The PN content was set at 4.7% by mass. The smaller the average size of the PN particles, the greater the flexural rupture stress.
En stockage de la chaleur sensible, le matériau de stockage doit avoir une bonne stabilité thermique pendant de nombreux cycles de chauffe et de refroidissement. La stabilité thermique a été étudiée par l’analyse thermogravimétrique qui permet de suivre l’évolution de la masse pendant des cycles de chauffe et de refroidissement. Les céramiques ont précédemment été cuites à 1100°C. La Figure 12 montre les résultats obtenus avec deux céramiques contenant respectivement 4,7% en masse en CP et 5% en masse en PN. Les conditions d’analyse sont : vitesse de chauffage de 10°C/min ; atmosphère d’air au débit de 100 NmL/min, refroidissement libre, plage de température de 30 à 1000°C. Les deux céramiques ont une très bonne stabilité thermique dans la plage de température étudiée. La variation de masse est moins de 0,2% pendant les 50 cycles de chauffe et de refroidissement répétés sous air. Ainsi, ces céramiques peuvent être utilisées dans des centrales solaires à haute température comme les centrales à tour avec des températures atteignant environ 900°C, mais aussi dans des centrales à des températures modérées telles que les centrales cylindro-paraboliques où les températures dépassent rarement 400°C. Ces céramiques peuvent aussi être utilisées pour récupérer de la chaleur présente dans des fumées des installations industrielles pouvant atteindre jusqu’à environ 1000°C. D’une manière générale, elles peuvent être en contact avec un fluide caloporteur à n’importe quelle température allant jusqu’à 1 100°C.  In storage of sensible heat, the storage material must have good thermal stability during many heating and cooling cycles. The thermal stability has been studied by thermogravimetric analysis which makes it possible to follow the evolution of the mass during cycles of heating and cooling. The ceramics were previously fired at 1100 ° C. Figure 12 shows the results obtained with two ceramics containing respectively 4.7% by weight of CP and 5% by weight of PN. The analysis conditions are: heating rate of 10 ° C / min; air atmosphere at 100 NmL / min, free cooling, temperature range 30 to 1000 ° C. Both ceramics have a very good thermal stability in the temperature range studied. The mass variation is less than 0.2% during the 50 repeated heating and cooling cycles under air. Thus, these ceramics can be used in high temperature solar power plants such as tower plants with temperatures up to about 900 ° C, but also in plants at moderate temperatures such as parabolic power plants where temperatures rarely exceed 400 ° C. These ceramics can also be used to recover heat present in flue gases from industrial plants up to about 1000 ° C. In general, they can be in contact with a heat transfer fluid at any temperature up to 1100 ° C.
Des expériences en stockage de la chaleur sensible ont été réalisées à l’échelle pilote. Le schéma de principe du pilote utilisé est montré dans la Figure 13. Il se compose d’un réservoir de stockage R de dimension 1 ,4 m x 0,3 m x 0,3 m soit un volume de stockage nominal de 0,126 m3. Le réservoir est fabriqué en vermiculite (un matériau isolant et inerte, épaisseur 0,1 m) et est entouré par une couche d’isolant fibreux de laine de roche (épaisseur 0,25 m) ; le tout est finalement entouré par une couche d’acier inoxydable. Le réservoir est installé horizontalement. Il est équipé de 37 thermocouples pour suivre l’évolution de la température axiale tout au long de la cuve. Le fluide caloporteur utilisé est de l’air. Les flèches indiquent le sens de circulation dudit fluide dans le réservoir. Pour la phase de charge (a), une soufflerie génère un débit d’air constant pour alimenter un canon à air chaud qui alimente ensuite le réservoir de stockage. Ce canon est positionné juste avant l’entrée du réservoir de stockage. Le canon à air chaud utilisé permet d’obtenir une température allant de 100°C à 900°C en sortie de canon. Pour la phase de décharge (b), la soufflerie injecte de l’air ambiant dans la partie froid de la cuve pour récupérer de la chaleur initialement stockée. Deux thermocouples, un débitmètre massique et deux capteurs de pression sont également installés pour contrôler l’écoulement du fluide caloporteur pendant les phases de charge et de décharge. Sensitive heat storage experiments have been carried out on a pilot scale. The schematic diagram of the pilot used is shown in Figure 13. It consists of a storage tank R of dimension 1, 4 mx 0.3 mx 0.3 m or a nominal storage volume of 0.126 m 3 . The tank is made of vermiculite (an insulating and inert material, thickness 0.1 m) and is surrounded by a fibrous insulation layer of rockwool (thickness 0.25 m); everything is finally surrounded by a layer of stainless steel. The tank is installed horizontally. It is equipped with 37 thermocouples to follow the evolution of the axial temperature throughout the tank. The coolant used is air. The arrows indicate the flow direction of said fluid in the reservoir. For the charging phase (a), a blower generates a constant air flow to feed a hot air gun which then feeds the storage tank. This gun is positioned just before the entrance of the storage tank. The hot-air gun used makes it possible to obtain a temperature ranging from 100 ° C. to 900 ° C. at the barrel outlet. For the discharge phase (b), the blower injects ambient air into the cold part of the tank to recover initially stored heat. Two thermocouples, a mass flow meter and two pressure sensors are also installed to control the flow of heat transfer fluid during the charging and discharging phases.
Pour évaluer la performance des étapes de charge et de décharge, différents termes sont utilisés qui sont définis ci-après :  To evaluate the performance of the charging and discharging steps, various terms are used which are defined below:
• TL : Température du matériau de stockage au début de la phase de charge ; ou température basse du fluide caloporteur (air) utilisé pour la phase de décharge (°C). • T L : Temperature of the storage material at the beginning of the charging phase; or low temperature of the coolant (air) used for the discharge phase (° C).
• TH : Température du fluide caloporteur (air) en entrée du réservoir de stockage pendant la phase de charge ; ou température haute du matériau de stockage au début de la phase de décharge (°C). • T H : Temperature of the coolant (air) at the inlet of the storage tank during the charging phase; or high temperature of the storage material at the beginning of the discharge phase (° C).
• Tamb : Température ambiante (°C). • T amb : Ambient temperature (° C).
• m : débit massique d’air (kg/h).  • m: mass flow rate of air (kg / h).
• T cut-off/chg : Seuil de température en sortie du réservoir de stockage où la phase de charge est arrêtée. • T cut-off / chg : Temperature threshold at the outlet of the storage tank where the charging phase is stopped.
• T cut-off/dis : Seuil de température en sortie du réservoir de stockage où la phase de décharge est arrêtée. • T cut-off / dis : Temperature threshold at the outlet of the storage tank where the discharge phase is stopped.
• b : Coefficient de température seuil utilisé pour le calcul des températures Tcut- off/chg et T cut-off/dis selon les équations suivantes . • b: Threshold temperature coefficient used for calculating the temperatures T cut - o ff / chg and T cut-off / dis according to the following equations.
pour une charge : Tcut-off/chg =TL + b x (TH-TL) (2) for a load: T cut-off / chg = T L + bx (T H -T L ) (2)
pour une décharge : Tcut-0ff/dis =TL + (1- b) x (TH-TL) (3) for a discharge: T cut-0ff / dis = T L + (1- b) x (T H -T L ) (3)
• tpercée : Temps nécessaire pour atteindre une valeur de TCut-off/chg pendant la phase de charge ou de Tcut-off/dis pendant la phase de décharge. breakthrough time : The time required to reach a value of T Cut-off / chg during the charging phase or T cut-off / dis during the discharge phase.
• Emax : Quantité d’énergie thermique calculée théoriquement par l’équation (1 ) entre TL et TH (kWh). • E max : Quantity of thermal energy calculated theoretically by equation (1) between T L and T H (kWh).
• EChg : Quantité d’énergie thermique emmagasinée dans le matériau de stockage durant la phase de charge où la température en sortie du réservoir de stockage est inférieure à Tcut-off/chg ; EChg est calculée par l’équation (1 ) (kWh). • E Chg : Quantity of thermal energy stored in the storage material during the charging phase where the outlet temperature of the storage tank is lower than T cut-off / chg ; E Chg is calculated by equation (1) (kWh).
• r|chg : Taux de charge qui est le rapport entre ECh et Emax (%). • r | chg : Load rate which is the ratio between E Ch and E max (%).
• Edis : Quantité d’énergie thermique récupérée durant la phase de décharge où la température en sortie du réservoir de stockage est supérieure à Tcut-off/dis ; E is est calculée par l’équation (1 ) (kWh). • E dis : Quantity of thermal energy recovered during the discharge phase where the outlet temperature of the storage tank is greater than T cut-off / dis ; E is is calculated by equation (1) (kWh).
• ndis : Taux de décharge qui est le rapport entre Edis et EChg (%). • n dis : Discharge rate which is the ratio between E dis and E Chg (%).
• Ein : Quantité d’énergie thermique envoyée dans le réservoir de stockage pendant la phase de charge (kWh). • Eout : Quantité d’énergie thermique perdue en sortie du réservoir de stockage pendant la phase de charge, calculée par l’équation (1 ) entre TH et TCut-off/chg (kWh). • E in : Quantity of thermal energy sent to the storage tank during the charging phase (kWh). • E out : Quantity of thermal energy lost at the outlet of the storage tank during the charging phase, calculated by equation (1) between TH and T C ut-off / ch g (kWh).
• nwh : Pertes thermiques qui sont le rapport entre Eout et Ein (%). • n wh : Thermal losses which are the ratio between E out and E in (%).
· e : porosité du réservoir de stockage rempli par des cylindres de matériau céramique de 15 mm de diamètre et 40 mm de longueur (%).  · E: porosity of the storage tank filled with cylinders of ceramic material 15 mm in diameter and 40 mm in length (%).
Deux céramiques ont été utilisées pour les tests à l’échelle pilote. La première contient 4,7% en masse en CP (Ceram9). La seconde contient 5% en masse en PN (Ceram35). Ces céramiques ont été préparées par la méthode d’extrusion et cuites à 1 140°C. Elles sont sous forme cylindrique de 15 mm de diamètre et 40 mm de longueur. Two ceramics were used for the pilot scale tests. The first contains 4.7% by weight of CP (Ceram9). The second contains 5% by mass in PN (Ceram35). These ceramics were prepared by the extrusion method and fired at 1140 ° C. They are in cylindrical form 15 mm in diameter and 40 mm in length.
Cette forme a été choisie afin d’avoir une bonne surface d’échange au sein du système de stockage thermique. On entend par surface d’échange, la surface extérieure du matériau céramique directement en contact avec le fluide caloporteur. De plus, cette forme cylindrique est facilement obtenue par la méthode d’extrusion. Pour chaque expérience, 160 kg de matériau sont nécessaires pour remplir le réservoir de stockage. La porosité du réservoir de stockage rempli par ces cylindres est d’environ 40%. This form was chosen in order to have a good exchange surface within the thermal storage system. By exchange surface is meant the outer surface of the ceramic material directly in contact with the coolant. In addition, this cylindrical shape is easily obtained by the extrusion method. For each experiment, 160 kg of material is required to fill the storage tank. The porosity of the storage tank filled by these cylinders is about 40%.
Exemple 1 Example 1
Ce test a été réalisé avec la céramique Ceram9. Les conditions de charge et de décharge sont montrées dans le Tableau 2.  This test was performed with Ceram9 ceramics. The charging and discharging conditions are shown in Table 2.
Tableau 2 : Conditions de test pour le matériau Ceram9 à des températures modérées (TH autour de 340°C) Table 2: Test conditions for Ceram9 material at moderate temperatures (T H around 340 ° C)
La Figure 14 et le Tableau 3 présentent les résultats obtenus lors de la phase de charge. Sur la Figure 14 (a), sont présentés les profils de température axiale à différents temps de charge. A un temps de charge donné, la température axiale baisse avec l’augmentation de la longueur du réservoir de stockage. A une longueur du réservoir de stockage donnée, la température axiale augmente avec l’augmentation du temps de charge. La Figure 14 (b) montre l’évolution de la température d’entrée (T1 ) et de sortie (T2) du réservoir de stockage, et l’évolution du taux de charge. La température d’entrée du réservoir a rapidement été stabilisée autour de la TH. La température de sortie du réservoir a été maintenue à la température ambiante pendant environ 0,75 h de charge. Par conséquent, la totalité de la chaleur injectée dans la cuve a été absorbée par le matériau. Ensuite, cette température de sortie augmente. Cela indique qu’une partie de la chaleur injectée sort du réservoir (Eout, chaleur non absorbée par le matériau). Le Tableau 3 résume les résultats obtenus à différents TCut-off/chg· Avec l’augmentation du temps de charge (tpercée), le taux de charge augmente et atteint 86,9% après 2,28 h de charge. Par conséquent, les pertes thermiques augmentent (augmentation de qWh)· Toutefois, à un taux de charge de 86,9%, les pertes thermiques ne sont que 14,1 % qui est un excellent résultat et qui démontre l’efficacité de ce matériau pour le stockage de la chaleur fournie par le fluide caloporteur. Figure 14 and Table 3 show the results obtained during the charging phase. Figure 14 (a) shows the axial temperature profiles at different charging times. At a given charging time, the axial temperature decreases with the increase in the length of the storage tank. At a given storage tank length, the axial temperature increases with increasing charging time. Figure 14 (b) shows the evolution of the inlet (T1) and outlet (T2) temperature of the storage tank, and the evolution of the charge rate. The tank inlet temperature was quickly stabilized around the T H. The outlet temperature of the tank was maintained at room temperature for about 0.75 h load. As a result, all of the heat injected into the vessel was absorbed by the material. Then this output temperature increases. This indicates that some of the injected heat is coming out of the tank (E out , heat not absorbed by the material). Table 3 summarizes the results obtained at different T C ut-off / ch g · With increasing charging time (t pe rcée), the charging rate increases and reaches 86.9% after 2.28 h load . As a result, the thermal losses increase (increase of q W h) · However, at a load rate of 86.9%, thermal losses are only 14.1% which is an excellent result and which demonstrates the effectiveness of this material for storing the heat provided by the coolant.
Tableau 3 : Résumé des résultats obtenus à différents Tmt-nff/rhn pendant la phase de charge du matériau Ceram9 à des températures modérées (TH autour de 340°C) Table 3: Summary of the results obtained at different T mt-nff / rhn during the charging phase of Ceram9 material at moderate temperatures (T H around 340 ° C)
La Figure 15 et le Tableau 4 montrent les résultats obtenus lors de la phase de décharge. Sur la Figure 15 (a), sont présentées les températures axiales en fonction du temps de décharge ou de la longueur du réservoir de stockage. A une longueur du réservoir de stockage donnée, l’augmentation du temps de décharge conduit à une baisse de la température. Et à un temps de décharge donnée, la température baisse avec la longueur du réservoir de stockage. Sur la Figure 15 (b), l’augmentation du temps de décharge s’accompagne par la baisse de la température de sortie et l’augmentation du taux de décharge. Au bout de 2,28 h, le taux de décharge atteint 93,6% comme précisé  Figure 15 and Table 4 show the results obtained during the discharge phase. In Figure 15 (a), the axial temperatures are presented as a function of the discharge time or the length of the storage tank. At a given length of the storage tank, the increase in the discharge time leads to a decrease in temperature. And at a given discharge time, the temperature drops with the length of the storage tank. In Figure 15 (b), the increase in discharge time is accompanied by the decrease of the outlet temperature and the increase of the discharge rate. After 2.28 h, the discharge rate reaches 93.6% as specified
Tableau 4 : Résumé des résultats obtenus à différents T ,.^/H^ pendant la phase de décharge du matériau Ceram9 à des températures modérées (TH autour de 340°C) Exemple 2 Table 4: Summary of the results obtained at different T ^ / ^ H during the discharge phase of Ceram9 material at moderate temperatures (T H around 340 ° C). Example 2
Ce test a été réalisé avec le même matériau utilisé pour l’exemple 1 , mais à des valeurs moyennement élevées de TH (autour de 520 °C). Le Tableau 5 montre les conditions utilisées. This test was carried out with the same material used for Example 1, but at moderately high values of T H (around 520 ° C.). Table 5 shows the conditions used.
Tableau 5 : Conditions de test pour le matériau Ceram9 à des températures moyennement élevées (TH autour de 520°C) Table 5: Test conditions for Ceram9 material at moderately high temperatures (T H around 520 ° C)
La Figure 16 et le Tableau 6 résument les résultats obtenus pour la phase de charge. La température d’entrée est rapidement stabilisée entre 500 et 528°C après 30 min de charge. La température en sortie reste proche de la température ambiante pendant les 30 premières min, puis elle commence à augmenter. Le taux de charge augmente avec le temps de charge et atteint 86,4% après 3,27 h. A ce taux de charge, Figure 16 and Table 6 summarize the results obtained for the charging phase. The inlet temperature is rapidly stabilized between 500 and 528 ° C after 30 minutes of charging. The output temperature stays close to room temperature for the first 30 min, then starts to increase. The charge rate increases with charging time and reaches 86.4% after 3.27 h. At this charge rate,
Tableau 6 : Résumé des résultats obtenus à différents nff/rhn pendant la phase deTable 6: Summary of the results obtained at different nff / rhns during the phase of
charge du matériau Ceram9 à des températures moyennement élevées (TH autour de 520°Q loading Ceram9 material at moderately high temperatures (T H around 520 ° Q)
La Figure 17 et le Tableau 7 montrent les résultats obtenus lors de la phase de décharge. L’augmentation du temps de décharge conduit à une baisse consécutive de la température de sortie et une augmentation consécutive du taux de décharge (cf. Figure 17). Après 3,9h de décharge, 94,2% de la quantité de chaleur stockée a été restituée Figure 17 and Table 7 show the results obtained during the discharge phase. The increase in discharge time leads to a consequent decrease in the outlet temperature and a consequent increase in the discharge rate (see Figure 17). After 3.9h of discharge, 94.2% of the amount of heat stored was returned
(Tableau 7). Les résultats obtenus pour les deux phases de charge et de décharge montrent que le matériau étudié est efficace pour le stockage de la chaleur sensible à des températures moyennement élevées. (Table 7) The results obtained for the two phases of charging and discharging show that the studied material is effective for the storage of sensible heat at moderately high temperatures.
Tableau 7 : Résumé des résultats obtenus à différents nff/rii pendant la phase deTable 7: Summary of results obtained at different nff / rii during the phase of
décharge du matériau Ceram9 à des températures moyennement élevées (TH autour de 520°Q discharge of Ceram9 material at moderately high temperatures (T H around 520 ° Q)
Exemple 3 Example 3
Ce test a été réalisé avec le même matériau que celui utilisé pour les exemples 1 à 2, mais à des valeurs élevées de TH (autour de 760 °C). Le Tableau 8 montre les conditions utilisées. This test was carried out with the same material as that used for Examples 1 to 2, but at high values of T H (around 760 ° C.). Table 8 shows the conditions used.
Tableau 8 : Conditions de test pour le matériau Ceram9 à des températures élevées (TH autour de 760°C) Table 8: Test conditions for Ceram9 material at high temperatures (T H around 760 ° C)
La Figure 18 et le Tableau 9 montrent des résultats obtenus pour la phase de charge. La température d’entrée est rapidement stabilisée autour de 760°C après 60 min de charge. La température en sortie reste proche de la température ambiante pendant les 60 premières min, puis elle commence à augmenter. Le taux de charge augmente avec le temps de charge et atteint 86,9% après 3,76 h. A ce taux de charge, les pertes thermiques sont relativement faibles (qWh de 13,9% seulement). Figure 18 and Table 9 show results obtained for the charging phase. The inlet temperature is rapidly stabilized around 760 ° C after 60 min of charging. The output temperature stays close to room temperature for the first 60 minutes and then begins to increase. The charge rate increases with charging time and reaches 86.9% after 3.76 h. At this loading rate, heat losses are relatively low (q W h of 13.9% only).
Tableau 9 : Résumé des résultats obtenus à différents Tmt-nff/rhn pendant la phase de charge du matériau Ceram9 à des températures élevées (TH autour de 760°C) La Figure 19 et le Tableau 10 montrent les résultats obtenus pour la phase de décharge. L’augmentation du temps de décharge s’accompagne par une baisse consécutive de la température de sortie et une augmentation consécutive du taux de décharge (Figure 19). Après 4,58h de décharge, 96,7% de la quantité de chaleur stockée a été restituée (Tableau 10). Les résultats obtenus pour les deux phases de charge et de décharge montrent que le matériau étudié est efficace pour le stockage de la chaleur sensible à des températures élevées autour de 760°C. Table 9: Summary of the results obtained at different T mt-nff / rhn during the charging phase of Ceram9 material at high temperatures (T H around 760 ° C) Figure 19 and Table 10 show the results obtained for the discharge phase. The increase in discharge time is accompanied by a consequent decrease in the outlet temperature and a consequent increase in the discharge rate (Figure 19). After 4.58h discharge, 96.7% of the amount of heat stored was restored (Table 10). The results obtained for the two charging and discharging phases show that the studied material is effective for the storage of sensible heat at high temperatures around 760 ° C.
Tableau 10 : Résumé des résultats obtenus à différents Tr„t-nff/rii pendant la phase de décharge du matériau Ceram9 à des températures élevées (TH autour de 760°C) Table 10: Summary of the results obtained at different T r "t nff / rii during the discharge phase of Ceram9 material at high temperatures (T H around 760 ° C)
Exemple 4 Example 4
Ce test a été réalisé avec la céramique Ceram35, qui contient 5% en masse en PN, à des températures TH modérées. Le tableau 11 résume les conditions utilisées pour les phases de charge et de décharge. This test was carried out with Ceram35 ceramics, which contains 5% by mass of PN, at moderate temperatures T H. Table 11 summarizes the conditions used for the charging and discharging phases.
Tableau 1 1 : Conditions de test pour le matériau Ceram35 à des températures modérées (TH autour de 350°C) Table 1 1: Test conditions for Ceram35 material at moderate temperatures (T H around 350 ° C)
La Figure 20 et le Tableau 12 montrent des résultats obtenus pour la phase de charge. La température d’entrée est rapidement stabilisée autour de 340-350°C après 30 min de charge. La température en sortie reste proche de la température ambiante pendant environ 0,75h puis elle commence à augmenter. Le taux de charge augmente avec le temps de charge et atteint 89,9% après 2,43 h. A ce taux de charge, les pertes thermiques sont relativement faibles (qWh de 14,6% seulement). Figure 20 and Table 12 show results obtained for the charging phase. The inlet temperature is rapidly stabilized around 340-350 ° C after 30 min of charging. The output temperature stays close to room temperature for about 0.75h and then starts to increase. Charge rate increases with charging time and reaches 89.9% after 2.43 hours. At this loading rate, heat losses are relatively low (q W h of 14.6% only).
Tableau 12 : Résumé des résultats obtenus à différents Tmt-nff/rhn pendant la phase de charge du matériau Ceram35 à des températures élevées (TH autour de 350°C) Table 12: Summary of the results obtained at different T mt-nff / rhn during the charging phase of Ceram35 material at high temperatures (T H around 350 ° C)
La Figure 21 et le Tableau 13 montrent les résultats obtenus pour la phase de décharge. L’augmentation du temps de décharge s’accompagne par une baisse consécutive de la température de sortie et une augmentation consécutive du taux de décharge (Figure 21 ). Après 2,06h de décharge, le taux de décharge est de 84,2% (Tableau 13). Le matériau Ceram35 est donc efficace pour le stockage et le déstockage de la chaleur sensible à des températures modérées (autour de 350°C).  Figure 21 and Table 13 show the results obtained for the discharge phase. The increase in discharge time is accompanied by a consequent decrease in the outlet temperature and a consequent increase in the discharge rate (Figure 21). After 2.06h discharge, the discharge rate is 84.2% (Table 13). The material Ceram35 is therefore effective for storage and retrieval of sensible heat at moderate temperatures (around 350 ° C).
Tableau 13 : Résumé des résultats obtenus à différents Tr„t-nff/rii pendant la phase de décharge du matériau Ceram35 à des températures modérées (TH autour de 350°C) Table 13: Summary of the results obtained at different T r "t nff / rii during the discharge phase of Ceram35 material at moderate temperatures (T H around 350 ° C)
Exemple 5 Example 5
Le test de cet exemple a été réalisé avec le matériau Ceram35 à des températures moyennement élevées (autour de 580°C). Le Tableau 14 montre les conditions utilisées pour ce test.  The test of this example was carried out with Ceram35 material at moderately high temperatures (around 580 ° C). Table 14 shows the conditions used for this test.
Tableau 14 : Conditions de test pour le matériau Ceram35 à des températures moyennement élevées (TH autour de 580°C) La Figure 22 et le Tableau 15 montrent des résultats obtenus pour la phase de charge. La température d’entrée est rapidement stabilisée autour de 550-580°C après 60 min de charge. La température en sortie reste proche de la température ambiante pendant environ 1 ,25h puis elle commence à augmenter. Le taux de charge augmente avec le temps de charge et atteint 89,6% après 3,50 h. A ce taux de charge, les pertes thermiques sont relativement faibles (nWh de 14,0% seulement). Table 14: Test conditions for Ceram35 material at moderately high temperatures (T H around 580 ° C) Figure 22 and Table 15 show results obtained for the charging phase. The inlet temperature is rapidly stabilized around 550-580 ° C after 60 min of charging. The output temperature remains close to room temperature for about 1, 25h and then starts to increase. The charge rate increases with charging time and reaches 89.6% after 3.50 h. At this load rate, heat losses are relatively low (n Wh of 14.0% only).
Tableau 15 : Résumé des résultats obtenus à différents Tmt-nff/rhn pendant la phase de charge du matériau Ceram35 à des températures moyennement élevées (TH autour de 580°Q Table 15: Summary of the results obtained at different T mt-nff / rhn during the loading phase of Ceram35 material at medium high temperatures (T H around 580 ° C)
La Figure 23 et le Tableau 16 montrent les résultats obtenus pour la phase de décharge. La température de sortie baisse avec le temps de charge. En même temps, le taux de décharge augmente (Figure 23). Après 3,35h de décharge, la quantité de chaleur initialement stockée a été déchargée à un taux de 92,8% (Tableau 16). Ces résultats montrent que le matériau Ceram35 est efficace pour le stockage et le déstockage de la chaleur sensible à des températures moyennement élevées (autour de 580°C).  Figure 23 and Table 16 show the results obtained for the discharge phase. The outlet temperature drops with the charging time. At the same time, the discharge rate increases (Figure 23). After 3.35h of discharge, the amount of heat initially stored was discharged at a rate of 92.8% (Table 16). These results show that the Ceram35 material is effective for storage and retrieval of sensible heat at moderately high temperatures (around 580 ° C).
Tableau 16 : Résumé des résultats obtenus à différents nff/rii pendant la phaseTable 16: Summary of results obtained at different nff / rii during the phase
de décharge du matériau Ceram35 à des températures moyennement élevées (TH autour de 580°Q discharge of Ceram35 material at moderately high temperatures (T H around 580 ° C)
Exemple 6 Example 6
Le même matériau utilisé pour les exemples 4 et 5 a été testé à des températures élevées (TH autour de 850°C). Les conditions expérimentales de ce test sont résumées dans le Tableau 17. The same material used for Examples 4 and 5 was tested at elevated temperatures (T H around 850 ° C). The experimental conditions of this test are summarized in Table 17.
Tableau 17 : Conditions de test pour le matériau Ceram35 à des températures élevées (TH autour de 850°C) Table 17: Test conditions for Ceram35 material at high temperatures (T H around 850 ° C)
La Figure 24 et le Tableau 18 montrent des résultats obtenus pour la phase de charge. La température d’entrée est stabilisée autour de 800-850°C après 45 min de charge. La température de sortie est voisinée de la température ambiante pendant environ 1 h indiquant que la totalité de la chaleur injectée a été absorbée par le matériau. Ensuite, cette température de sortie commence à augmenter. Le taux de charge augmente avec le temps de charge et atteint 86,3% après 2,91 h. A ce taux de charge, les pertes thermiques sont relativement faibles (qWh de 8,9% seulement). Figure 24 and Table 18 show results obtained for the charging phase. The inlet temperature is stabilized around 800-850 ° C after 45 minutes of charging. The outlet temperature is close to room temperature for about 1 hour indicating that all of the injected heat has been absorbed by the material. Then this output temperature starts to increase. The charge rate increases with the charging time and reaches 86.3% after 2.91 h. At this loading rate, the thermal losses are relatively low (q W h of 8.9% only).
Tableau 18 : Résumé des résultats obtenus à différents Tmt-nff/rhn pendant la phase de charge du matériau Ceram35 à des températures élevées (TH autour de 850°C) La Figure 25 et le Tableau 19 montrent les résultats obtenus pour la phase de décharge. Avec le temps de charge, la température de sortie baisse et en même temps le taux de décharge augmente (Figure 25). Après 3,95h de décharge, 94% de la chaleur stockée est restituée (Tableau 19). Ces résultats montrent que le matériau Ceram35 est efficace pour le stockage et le déstockage de la chaleur sensible à des températures élevées (TH autour de 850°C). Table 18: Summary of the results obtained at different T mt-nff / rhn during the charging phase of the Ceram35 material at high temperatures (T H around 850 ° C) Figure 25 and Table 19 show the results obtained for the phase discharge. With the charging time, the outlet temperature drops and at the same time the discharge rate increases (Figure 25). After 3.95h of discharge, 94% of the stored heat is returned (Table 19). These results show that the Ceram35 material is effective for storing and retrieving sensitive heat at high temperatures (T H around 850 ° C).
Tableau 19 : Résumé des résultats obtenus à différents Tr„t-nff/rii pendant la phase de décharge du matériau Ceram35 à des températures élevées (TH autour de 850°C) Table 19: Summary of the results obtained at different T r "t nff / rii during the discharge phase of Ceram35 material at high temperatures (T H around 850 ° C)
D’autres tests de stockage et de déstockage ont été réalisés avec les deux matériaux Ceram9 et Ceram35 à différentes valeurs de TH et de débit massique du fluide caloporteur (air). Les Tableaux 20 et 21 résument les conditions expérimentales et les résultats principaux obtenus pour ces tests. Quelle que soit la température TH testée et à un débit massique du fluide caloporteur donné, les résultats sont reproductibles. A une température TH donnée, l’augmentation du débit massique du fluide caloporteur permet de réduire le temps de charge pour atteindre le même taux de charge. Cette observation est similaire pour la phase de décharge. Pour la phase de charge, dans tous les cas, les pertes thermiques sont relativement faibles (moins de 19%). Autrement dit, les matériaux utilisés sont efficaces pour le transfert de chaleur avec le fluide caloporteur dans les conditions utilisées. Other storage and retrieval tests were carried out with the two materials Ceram9 and Ceram35 with different T H values and mass flow rate of the coolant (air). Tables 20 and 21 summarize the experimental conditions and the main results obtained for these tests. Whatever the temperature T H tested and at a given mass flow rate of the heat transfer fluid, the results are reproducible. At a given temperature T H , the increase in the mass flow rate of the heat transfer fluid makes it possible to reduce the charging time to reach the same charge rate. This observation is similar for the discharge phase. For the charging phase, in all cases, the thermal losses are relatively low (less than 19%). In other words, the materials used are effective for heat transfer with the heat transfer fluid under the conditions used.
Tableau 20 : Conditions expérimentales et résultats principaux pour l’ensemble des tests de charge et de décharge obtenus avec la céramique Ceram9 (160 kg de céramique, céramique sous forme de cylindres de 15 mm de diamètre et 40 mm de longueur). Table 20: Experimental conditions and main results for all load and discharge tests obtained with Ceram9 ceramics (160 kg of ceramic, ceramic in the form of cylinders 15 mm in diameter and 40 mm in length).
Tableau 21 : Conditions expérimentales et résultats principaux pour l’ensemble des tests de charge et de décharge obtenus avec la céramique Ceram35 (160 kg de céramique, céramique sous forme de cylindres de 15 mm de diamètre et 40 mm de longueur)  Table 21: Experimental conditions and main results for all load and discharge tests obtained with Ceram35 ceramics (160 kg of ceramic, ceramic in the form of cylinders 15 mm in diameter and 40 mm in length)
REFERENCES REFERENCES
[1] Kuravi S., Trahan J., Goswami D.Y., Rahman M.M., Stefanakos E.K. Thermal energy storage technologies and Systems for concentrating solar power plants. Progress in Energy and Combustion Science 39 (2013) 285-319.  [1] Kuravi S., Trahan J., Goswami D.Y., Rahman M.M., Stefanakos E.K. Thermal energy storage technologies and systems for concentrating solar power plants. Progress in Energy and Combustion Science 39 (2013) 285-319.
[2] Dintera, F., Gonzalez, D.M. Operability, reliability and économie benefits of CSP with thermal energy storage: first year of operation of ANDASOL 3. Energy Procedia 49 (2014) 2472-2481.  [2] Dintera, F., Gonzalez, D.M. Operability, reliability and economy benefits of CSP with thermal energy storage: first year of operation of ANDASOL 3. Energy Procedia 49 (2014) 2472-2481.
[3] Rellosoa, S., Garcia, E. Tower technology cost réduction approach after Gemasolar expérience. Energy Procedia 69 (2015) 1660-1666.  [3] Rellosoa, S., Garcia, E. Tower technology cost reduction approach after Gemasolar experience. Energy Procedia 69 (2015) 1660-1666.
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[5] Murray H., Applied clay mineralogy, 1st Edition, Elsevier Science, 2007 (Hardcover ISBN: 9780444517012). [5] Murray H., Applied Mineralogy Clay, 1 st Edition, Elsevier Science, 2007 (Hardcover ISBN: 9780444517012).

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d’un matériau céramique pour le stockage thermique d’énergie, caractérisé en ce qu’il comprend la réalisation d’un mélange d’au moins des particules d’argile et des particules de phosphate naturel et/ou synthétique, et d’eau, ledit mélange comprenant entre 0,5% et 40% en masse de phosphate par rapport à la masse du mélange à l’exception de l’eau, ainsi que la mise en forme et la cuisson dudit mélange pour obtenir le matériau céramique. 1. A method of manufacturing a ceramic material for the thermal storage of energy, characterized in that it comprises the production of a mixture of at least clay particles and particles of natural phosphate and / or synthetic , and water, said mixture comprising between 0.5% and 40% by weight of phosphate relative to the mass of the mixture with the exception of water, and the shaping and baking of said mixture to obtain the ceramic material.
2. Procédé selon l’une des revendication 1 , dans lequel le mélange comprend entre 4% et 5% en masse de phosphate par rapport à la masse du mélange à l’exception de l’eau. 2. Method according to one of claim 1, wherein the mixture comprises between 4% and 5% by weight of phosphate relative to the mass of the mixture with the exception of water.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le mélange comprend entre 50 et 90% en masse d’argile, de préférence entre 60 et 80% en masse. 3. A process according to claim 1 or claim 2, wherein the mixture comprises between 50 and 90% by weight of clay, preferably between 60 and 80% by weight.
4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la taille moyenne (d5o) des particules d’argile et de phosphate est inférieure à 1 mm. 4. Method according to one of claims 1 to 3, wherein the average size (d 5 o) of clay particles and phosphate is less than 1 mm.
5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le mélange comprend en outre jusqu’à 40% en masse de particules de sable, de préférence entre 10 et 30% en masse. 5. Method according to one of claims 1 to 3, wherein the mixture further comprises up to 40% by weight of sand particles, preferably between 10 and 30% by weight.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la taille moyenne (d5o) des particules de sable est inférieure à 1 ,5 mm. The method of claim 5, wherein the average size (d 5 o) of the sand particles is less than 1.5 mm.
7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant en outre la mise en forme du matériau céramique par l’une des techniques suivantes : extrusion, granulation, moulage, compactage ou pressage du mélange. 7. Method according to one of claims 1 to 6, further comprising forming the ceramic material by one of the following techniques: extrusion, granulation, molding, compacting or pressing the mixture.
8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant en outre, après l’étape de mise en forme, le séchage du matériau céramique à une température inférieure ou égale à 105°C. The method of one of claims 1 to 7, further comprising, after the shaping step, drying the ceramic material at a temperature of 105 ° C or less.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la cuisson du matériau céramique est réalisée à une température comprise entre 800 et 1200°C, de préférence entre 900 et 1150°C. 9. The method of claim 8, wherein the firing of the ceramic material is carried out at a temperature between 800 and 1200 ° C, preferably between 900 and 1150 ° C.
10. Matériau céramique pour le stockage d’énergie thermique, caractérisé en ce qu’il comprend une matrice d’argile et, le cas échéant, de sable, et des particules d’un phosphate naturel et/ou d’un phosphate synthétique dispersées dans ladite matrice, ledit matériau céramique comprenant entre 0,5% et 40% en masse de phosphate par rapport à la masse du matériau céramique. Ceramic material for storing thermal energy, characterized in that it comprises a matrix of clay and, if appropriate, of sand, and particles of a natural phosphate and / or a synthetic phosphate dispersed in said matrix, said ceramic material comprising between 0.5% and 40% by weight of phosphate relative to the mass of the ceramic material.
1 1. Matériau selon la revendication 10, se présentant sous la forme d’un cylindre, d’une sphère, d’un cube, d’une spirale, d’une plaque plane, d’une plaque ondulée, d’une brique creuse ou d’un anneau de Raschig. 1 1. Material according to claim 10, in the form of a cylinder, a sphere, a cube, a spiral, a flat plate, a corrugated plate, a brick hollow or Raschig ring.
12. Procédé de stockage d’énergie thermique dans un matériau céramique, caractérisé en ce qu’il comprend la mise en contact d’un fluide caloporteur avec le matériau céramique selon l’une des revendications 10 ou 1 1 , de sorte à transférer de la chaleur du fluide caloporteur au matériau céramique dans une phase de charge, et à transférer de la chaleur du matériau céramique au fluide caloporteur dans une phase de décharge. 12. A method for storing thermal energy in a ceramic material, characterized in that it comprises contacting a heat transfer fluid with the ceramic material according to one of claims 10 or 1 1, so as to transfer the heat of the heat transfer fluid to the ceramic material in a charging phase, and transferring heat from the ceramic material to the heat transfer fluid in a discharge phase.
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le matériau céramique est contenu dans un réservoir. 13. The method of claim 12, wherein the ceramic material is contained in a reservoir.
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel le réservoir est formé d’au moins un matériau thermiquement isolant. 14. The method of claim 13, wherein the reservoir is formed of at least one thermally insulating material.
15. Procédé selon l’une des revendications 12 à 14, dans lequel le fluide caloporteur est choisi parmi l’air, la vapeur d’eau, une huile ou un sel fondu. 15. Method according to one of claims 12 to 14, wherein the coolant is selected from air, water vapor, oil or molten salt.
16. Procédé selon l’une des revendications 12 à 15, dans lequel, lors de la phase de charge et/ou la phase de décharge, le fluide caloporteur est à une température comprise entre 20 et 1100°C. 16. Method according to one of claims 12 to 15, wherein, during the charging phase and / or the discharge phase, the heat transfer fluid is at a temperature between 20 and 1100 ° C.
17. Dispositif de stockage thermique d’énergie pour la mise en oeuvre du procédé selon l’une des revendications 12 à 16, comprenant un réservoir contenant le matériau céramique et un circuit de circulation d’un fluide caloporteur en liaison fluidique avec le réservoir de sorte à mettre ledit fluide caloporteur au contact du matériau céramique. 17. Thermal energy storage device for carrying out the method according to one of claims 12 to 16, comprising a reservoir containing the ceramic material and a circulation circuit of a heat transfer fluid in fluid connection with the reservoir. so as to put said coolant in contact with the ceramic material.
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