Soutenance mémoire
Depuis les périodes d’industrialisation des XIXème et XXème siècles, l’Homme n’a eu de cesse d’exploiter les ressources naturelles mises à disposition par la planète Terre afin de produire de plus en plus d’énergie. En prenant les chiffres de 2012 (rapport IEA), l’humanité a produit 155 505 TWh d’énergie primaire tout en rejetant 31 734 MtéqCO2 de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, participant ainsi aux changements climatiques.
Sur le total d’énergie primaire produite dans le monde (Rapport IEA), seule une partie sera destinée à être convertie en électricité pour produire 22 668 TWh. En se focalisant sur les sources de production de l’électricité , on remarque qu’une bonne partie provient de sources fossiles alors que les énergies renouvelables (hydraulique, biomasse, solaire, éolien, géothermie, énergie marine) n’occupe qu’une part relativement faible.
Maintenant, observons plus en détails les apports de l’énergie solaire en termes de production d’électricité (rapport Observ’ER). Nous venons de voir qu’ils représentent 2,2% des sources d’énergies renouvelables, et ont produit 113,3 TWh d’électricité en 2012 (soit 0,5% de la production mondiale électrique). Cette électricité provient de deux sources : le photovoltaïque (PV), qui met en œuvre une conversion directe de l’énergie solaire en électricité, et le solaire thermodynamique à concentration, qui utilise un cycle thermodynamique et un alternateur pour produire de l’électricité.
D’un point d vue commercial, le développement des technologies solaires de production électrique a permis d’abaisser les coûts à un niveau compétitif avec les énergies conventionnelles (rapport LAZARD). Ainsi, le coût du MWh électrique (LCOE) d’origine photovoltaïque est devenu aussi intéressant que celui produit à partir du charbon ; quant au solaire thermodynamique, il rivalise désormais avec le nucléaire .
Le Soleil peut être considéré comme un corps noir émettant à une température de 5 780 K dans toutes les directions de l’espace. Ainsi, la Terre reçoit chaque année une énergie de 1,06.10⁹ TWh de la part de son étoile. Comparée à la consommation énergétique mondiale annuelle (104 424 TWh), celle représente un rapport de 1/10 150. Pris tel quel, ces chiffres permettent de démontrer qu’avec les technologies adéquates et même à faibles efficacités, toutes les consommations énergétiques de l’humanité pourraient être assurées par voies solaires. Cependant, l’utilisation de l’énergie solaire pour produire de l’énergie pose trois problèmes majeurs que nous allons évoquer ci-après :
• Sa répartition sur la planète est inégale ➜ nécessité de la transporter ;
• Sa disponibilité est intermittente ➜ nécessité de la stocker ;
• C’est une énergie diluée ➜ nécessité de la capter sur de grandes surfaces et la concentrer.
Au-dessus de l’atmosphère, la densité de flux émise par le Soleil et reçue par la Terre est la même en tout lieu et est appelée « constante solaire » ; on parle également de DNI (Direct Normal Irradiation) afin de quantifier les apports solaires directs. En revanche, le DNI mesuré au sol est atténué par de nombreux facteurs :
• Le climat – l’humidité de l’air, la présence de particules (sable, poussières), les intempéries ;
• La géographie – l’altitude (épaisseur atmosphérique), la latitude (durée d’ensoleillement) ;
• L’activité humaine – la pollution (gaz et particules).
Les recherches sur les récepteurs poreux ont débuté dans les années 80 (Olalde et al., 1980; Genneviève et al., 1980; Olalde and Peube, 1982; Flamant and Olalde, 1983; Olalde et al., 1985). A cette époque, le carbure de silicium SiC était majoritairement étudié (particules ou nids-d’abeilles) et le fluide caloporteur utilisé était de l’air atmosphérique, sur des installations de « petites » puissance (moins de 10 kW). Les configurations co-courant et contre-courant, entre flux solaire et débit d’air, ont été analysées (Olalde et al., 1980; Olalde and Peube, 1982; Olalde et al., 1985). Concernant l’utilisation de particules, des expériences ont été menées sur des lits fixes et lits fluidisés, mettant en jeu des particules de carbure de silicium SiC et de zircone ZrO2.
Durant les années 90, les recherches sur les récepteurs volumiques se sont scindées en deux voies :
• Des études théoriques d’un côté, comprenant modélisations, simulations numériques et études paramétriques (Carotenuto et al., 1991; Pitz-Paal et al., 1991; Kribus et al., 1996) ;
• Des études expérimentales d’un autre côté.
Tout comme les recherches des années précédentes, le SiC fut le matériau le plus étudié, sous forme de nids-d’abeilles et de mousse céramique (Böhmer and Chaza, 1991; Carotenuto et al., 1993), cependant d’autres matériaux ont fait leur apparition : des mousses d’alumine Al2O3 (Chavez and Chaza, 1991; Karni et al., 1997; Kribus et al., 1998), ainsi que des mousses et treillis métalliques comme les alliages de nickel et l’Inconel (Pitz-Paal et al., 1997). En outre, la puissance des moyens d’essais a également augmentée pour se diriger vers l’échelle semi-industrielle (200 KWth dans Chavez and Chaza, 1991) et même l’échelle industrielle (tour solaire de 2,70 MWth utilisée dans les études expérimentales dans Chaza, 1991; Carotenuto et al., 1993). Dans certaines études, un réseau d’air pressurisé est mis en œuvre (Karni et al., 1997; Kribus et al., 1998; Kribus et al., 1999) ; toutefois, son utilisation introduit également des nouvelles contraintes techniques, notamment dues à la présence d’un hublot devant tenir les hautes pressions et les hautes températures (Pritzkow 1991). Enfin, le concept d’un récepteur multi-étages constitué de deux récepteurs en série est également étudié (Kribus et al., 1999) : un premier récepteur cavité en faisceaux de tubes, et un second utilisant des mousses céramiques.
Depuis les années 2000, quelques projets expérimentaux ont été menés (Fend et al., 2004a, 2004b; Heller et al., 2006; Schwarzbözl et al., 2006; Palero et al., 2008; Albanakis et al., 2009; Michailidis et al., 2013; Avila-Marin et al., 2014; Sharma et al., 2014; Roldan et al., 2015). Mais grâce à l’amélioration des puissances et des vitesses de calcul numérique, les études se sont majoritairement tournées vers des travaux théoriques, de modélisation et d’optimisation (Becker et al., 2006; Hischier et al., 2009; Bai, 2010; Smirnova et al., 2010; Wu et al., 2011a, 2011b; Xu et al., 2011; Cui et al., 2012; Sano et al., 2012; Cheng et al., 2013a, 2013b; Fend et al., 2013; Gomez et al., 2013; Sano and Iwase,2013; Wang et al., 2013a, 2013b; Wu and Wang, 2013; Gomez-Garcia et al., 2014, 2015; Kribus et al., 2014a, 2014b; Mey et al., 2014; Ordonez et al., 2014; Roldan et al., 2014; Chen et al., 2015). Les matériaux étudiés se sont diversifiés, incluant davantage de métaux et d’alliages (nickel, nichrome, cuivre, aluminium, inconel) sous forme de mousses ou de treillis (Albanakis et al., 2009; Avila-Marin et al., 2014) afin de tester de plus larges gammes de propriétés thermophysiques (conductivité, capacité calorifique, résistance mécanique, …). Une nouveauté notable est l’utilisation de simulateur solaire (lampes au Xénon) lors des expériences (Avila-Marin et al., 2014), en lieu et place d’un four solaire. Le concept de récepteur multi-étages a été perfectionné grâce à l’ajout d’un pallier intermédiaire (Heller et al., 2006).
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Table des matières
Chapitre 1 : Introduction
1. Contexte énergétiques
1.1 Mix énergétique mondial
1.2 Quid de l’électricité solaire
2. Utiliser l’énergie solaire
2.1 Le gisement solaire
2.2 Les technologies solaires
3. Focus sur les récepteurs volumiques
3.1 Historique des récepteurs poreux
3.2 Les travaux remarquables
3.3 Recommandations
4. Le projet ANR-OPTISOL
4.1 Fiche-projet de l’ANR
4.2 Résumé du projet
4.3 Enjeux et objectifs
4.4 Programme scientifique
4.5 Perspectives
Chapitre 2 : Caractérisation expérimentale des performances thermosolaires de mousses céramiques utilisées comme absorbeur volumique solaire haute température
1. Conception du banc d’essais
1.1 Poste expérimental
1.2 Dispositif expérimental
1.3 Mesures physiques réalisées sur les échantillons
2. Caractérisation du banc d’essais
2.1 Puissance solaire normalisée
2.2 Distribution en densité de flux
3. Caractérisation de mousses céramiques
3.1 Absorbeurs testés
3.2 Résultats et performances
3.3 Analyse des résultats
3.4 Comparaison aux travaux passés
Chapitre 3 : Conclusion
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