1 Contexte et enjeux scientifiques
Le bois est un matériau qui connait un regain d’intérêt dans la construction bas carbone. Ce matériau a l’avantage d’être neutre en émission de carbone, et sa faible effusivité thermique procure un confort thermique apprécié. Les constructions en bois ont des propriétés mécaniques (résistance sur densité) compétitives avec les constructions en acier ou le béton et possèdent une meilleure tenue au feu.
Cependant, la faible inertie thermique de ce matériau par rapport au béton, engendre une sensibilité à la température extérieure importante pouvant provoquer une surchauffe en été. Pour pallier cet inconfort, l’usager a alors recours à de la climatisation alors que la chaleur de la nuit stockée dans une construction béton massive permettrait d’éviter cette surconsommation énergétique.
Afin d’améliorer cette propriété, on propose d’associer le bois à un Matériau à Changement de Phase (MCP). En plus, d’améliorer ses propriétés thermiques, cette densification pourrait engendrer une amélioration des propriétés acoustiques et mécaniques sans impacter négativement le bilan environnemental.
2 Description des travaux de recherche
2.1 Objectifs scientifiques/problématique de recherche
Les objectifs de la thèse sont de définir les essences de bois massif ou des dérivés du bois (panneaux OSB etc..) et les MCP les plus pertinents selon des critères thermiques, mécaniques, acoustiques et environnementaux. Les principales problématiques de recherche sont d’ordre thermiques, mécaniques et process.
Deux verrous principaux sont à lever pour que cette solution soit acceptable. Le premier concerne la difficulté pour la fabrication du matériau composite. En effet, l’imprégnation du bois par le MCP peut nécessiter plusieurs étapes techniques qui peuvent être rédhibitoires pour une production en série (chauffage, mélange, mise sous pression ou au vide) d’où la préférence d’utilisation de MCP associé à des copeaux.
Le deuxième verrou est lié à la stabilité et la durabilité du composite. En effet, lors du changement de phase solide-liquide, le matériau se dilate et peut sortir de la matrice. Les contre-mesures possibles pour éviter ces fuites sont la micro-encapsulation du MCP ou la macro-encapsulation du composite par un polymère. Ces deux techniques semblent efficaces en statique, cependant elles méritent d’être évaluées sous chargements mécaniques et avec un cyclage thermique. Aussi, le bois est un matériau dont les propriétés sont très sensibles l’humidité. L’imprégnation de MCP peut permettre de stabiliser le bois en limitant la reprise d’humidité et ses variations dimensionnelles. L’ajout de MCP permettrait alors d’augmenter la durée de vie du composite.
Bien entendu, la caractérisation thermique d’un composite est toujours un défi, avec dans ce particulier, un axe d’étude sur la modification des propriétés de changement de phase du MCP et notamment de son degré de surfusion par la matrice.
Enfin, les travaux veulent dépasser la caractérisation à l’échelle du matériau pour aller vers des caractérisations (expérimentales et/ou numériques) d’assemblages constructifs à plus grandes échelles.
2.2 Positionnement par rapport à l’état de l’art
L’utilisation de MCP pour le stockage de chaleur ou de froid est largement étudiée par la communauté scientifique [1] et quelques applications sont aujourd’hui sur le marché. Son utilisation dans l’habitat est également très regardée que ce soit dans les parois verticales [2], ou dans le plancher [3]. Cependant, les études associant le MCP et le bois sont rares. Le MCP est, la plupart des cas, rajouté en face arrière d’un élément constructif et non intégré dans la masse au matériau. Quelques travaux traitent d’une intégration de MCP dans le bois, mais, souvent sous la forme de copeaux [4] et rarement en conservant la structure du bois [5].
Les deux verrous liés à la fabrication et la stabilité seront bien évidemment abordés et évalués dans la thèse. Le choix de l’essence du bois et du MCP et du mode d’imprégnation peuvent permettre de s’affranchir partiellement de ces difficultés. La thèse devrait étendre le champ de l’étude à la durabilité du matériau obtenu. Ce point est abordé, au mieux, par des essais sur de petits échantillons ou sur des nombres de cycles relativement faibles. Nous proposons de mener ces essais à des échelles plus grandes et sur un nombre de cycles significatifs comme nous avons pu le mener sur des matériaux du même type [6-8]. D’autres part, l’étude du décalage entre la température fusion et de solidification, appelé surfusion, est rarement abordée dans la littérature sur ce genre de matériau, et pourtant, les MCP potentiellement utilisables présentent un degré de surfusion loin d’être négligeable. Ce décalage peut annihiler l’effet attendu du MCP dans le bois. Certaines publications sur des MCPs dans les milieux poreux laissent penser que cet effet pourrait être réduit [9, 10]. Mais, il reste à le caractériser.
Enfin, à notre connaissance, il n’existe aucune étude à l’échelle du composant (Bois MCP). Sa tenue mécanique macroscopique, sa variation dimensionnelle en fonction de l’humidité, sa tenue au feu et sa durabilité ne sont pas étudiées.
2.3 Approche / Méthodologie
L’étude sera principalement réalisée à partir d’essais à différentes échelles. Une fois les matériaux fabriqués et caractérisés, un modèle thermomécanique sera défini et introduit dans un code numérique pour une évaluation des impacts à l’échelle d’un habitat. Les grandes étapes de l’étude sont décrites ci-dessous.
Etude bibliographique et état de l’art
- Sélection des essences de bois et des dérivés du bois potentiels
- Sélection de MCP bio-sourcés (sucres alcools, acides gras …)
Etudes à l’échelle du matériau : formulation, caractérisation et optimisation
- Techniques de fabrication : imprégnation et encapsulation
- Essais de stabilité au cyclage thermique et contraintes mécaniques
- Caractérisation thermique : chaleur latente, conductivité thermique, températures de changement de phase avec observation du degré de surfusion
- Caractérisations mécaniques du matériau avec prise en compte de la variation d’humidité et reprise d’eau
- Tenue au feu
- Modélisation numérique à l’échelle du milieu poreux des transferts couplés de chaleur et de masse (air et eau) pour quantification et optimisation des propriétés thermiques et hydriques du matériau
Etude à l’échelle d’un élément constructif des propriétés mécaniques et de durabilité
- Détermination et fabrication des assemblages composites pertinents : OSB, bois de structure ou de parement
- Caractérisation mécanique des assemblages : sollicitations mécaniques, variation dimensionnelle en fonction du degré d’humidité
- Caractérisations thermiques et acoustique
- Durabilité et paramètres de transferts
- Analyse de cycle de vie des solutions étudiées en tenant compte du procédé de fabrication, des intrants, du transport et de la fin de vie
2.4 Bibliographie sélective
- Atul Sharma, V.V. Tyagi, C.R. Chen, D. Buddhi – “Review on thermal energy storage with phase change materials and applications” – Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 318–345
- Frédéric Kuznik, Damien David, Kevyn Johannes, Jean-Jacques Roux – “A review on phase change materials integrated in building walls” – Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011) 379– 391
- Jianli Li, Ping Xue, Wenying Ding, Jinmin Han – “Micro-encapsulated paraffin/high-density polyethylene/woodflour composite as form-stable phase change material for thermal energy storage –“Solar Energy Mate, Guolin Sunrials & SolarCells 93(2009)1761–1767
- Ahmet Sarı, Gokhan Hekimo, V.V. Tyagi – “Low cost and eco-friendly wood fiber-based composite phase change material: Development, characterization and lab-scale thermoregulation performance for thermal energy storage” – Energy 195 (2020) 116983
- Céline Montanari, Yuanyuan Li, Hui Chen, Max Yan, and Lars A. Berglund, – “Transparent Wood for Thermal Energy Storage and Reversible Optical Transmittance” – ACS Mater. Interfaces 2019, 11, 20465−20472
- Kevin Merlin, Didier Delaunay, Jérôme Soto, Luc Traonvouez – “Heat transfer enhancement in latent heat thermal storage systems: Comparative study of different solutions and thermal contact investigation between the exchanger and the PCM” – Applied Energy 166 (2016) 107–116
- Kevin Merlin, Didier Delaunay, Jérôme Soto, Luc Traonvouez – “Industrial waste heat recovery using an enhanced conductivity latent heat thermal energy storage” – Applied Energy 183 (2016) 491–503
- Jérôme Soto, Mariam Jadal, Nicolas De Guyenro, Didier Delaunay, “ Thermal cycling aging of encapsulated Phase Change Material – Compressed Expanded Natural Graphite composite” – Thermal Science and Engineering Progress – 22 (2021) 100836 – ISSN : 2451-9049 – https://doi.org/10.1016/j.tsep.2020.100836
- Jérôme Lopez – “Nouveaux matériaux graphite/sel pour le stockage d’énergie à haute température. Étude des propriétés de changement de phase“ – Thèse 2007 – Université de Bordeaux
- MengdiYuan, Yunxiu Ren, Chao Xu, Feng Ye, XiaozeDu – “ Characterization and stability study of a form-stable erythritol/expanded graphite composite phase change material for thermal energy storage” – Renewable Energy, Volume 136, June 2019, Pages 211-222
