Etude du comportement de revêtements multicouches multifonctionnels à haute température

Le changement climatique lié à l’activité humaine combiné à la raréfaction des ressources d’énergies fossiles qui sont surexploitées font des énergies renouvelables un enjeu majeur pour le futur. La variété des sources renouvelables d’énergie est leur atout premier. Les éoliennes utilisent le vent, la biomasse et la géothermie permettent de produire chaleur et électricité, l’énergie des fleuves et rivières ou de la mer et de l’océan peut être convertie en électricité, et l’énergie solaire permet de produire de l’électricité et/ou de la chaleur. Cependant, la majorité des énergies renouvelables est intermittente, diluée (faible puissance surfacique), et/ou irrégulièrement répartie.

Grâce à leur faible coût et la bonne disponibilité de la ressource, les éoliennes et les panneaux photovoltaïques sont les deux technologies de production d’électricité à partir d’énergie renouvelable les plus employées. Ces technologies faisant appel à des ressources intermittentes, la production d’électricité n’est donc pas produite en continu. Un moyen de contrer cette variation de production est de stocker l’énergie. Les batteries servant à stocker l’électricité se révèlent être une solution très coûteuse, malgré sa démocratisation. Le solaire à concentration (CSP, pour concentrated solar power) semble être une solution plus prometteuse à cet égard, car cette technologie permet le stockage direct de la chaleur, stockage dont la mise en œuvre et le coût sont plus faibles que pour le stockage de l’électricité par batterie.

Le CSP conventionnel permet de convertir le rayonnement solaire en chaleur. Cette chaleur est ensuite utilisée pour la production d’électricité, à l’instar des centrales thermiques conventionnelles (nucléaire, charbon, etc.). La chaleur peut également être stockée afin de contrer les intermittences de la ressource solaire (jour/nuit, passage nuageux, etc.), communément grâce à des cuves contenant le fluide caloporteur chaud. Toutefois, l’électricité produite grâce à cette technologie est plus chère que celle produite par des panneaux photovoltaïques (sans stockage). Il est alors nécessaire soit de réduire les coûts de l’installation et de maintenance, soit d’améliorer le rendement de ces centrales.

L’énergie solaire et son exploitation

La ressource solaire

L’énergie provenant du Soleil est prometteuse par de nombreux aspects. Cette énergie est abondante puisque l’énergie annuellement reçue par le sol terrestre (7,638×10⁸ TWh, valeur calculée dans l’annexe A) correspond à plus de 4700 fois la consommation annuelle mondiale d’énergie primaire (environ 1,588×10⁵ TWh en 2015 [1], et environ 1,597×10⁵ TWh en 2017 [2]). Cela signifie que l’énergie solaire reçue par la Terre en une année permet de subvenir aux besoins énergétiques mondiaux pendant environ 4700 ans (en prenant en compte la consommation actuelle). De plus, l’énergie solaire est propre et inépuisable, et elle peut être convertie soit en électricité soit en chaleur. Cependant elle possède des inconvénients certains. Son intermittence (alternance jour/nuit, passages nuageux, saisons) est très problématique, ce qu’un stockage de l’énergie peut pallier (batterie électrochimique, stockage de chaleur, stockage thermochimique, etc.). Aussi, l’énergie solaire est diluée (le flux solaire direct est faible, environ 1000 W m-2 ), ce qui nécessite de grandes surfaces de captation. Enfin, la répartition mondiale de cette énergie est inhomogène ce que montre la répartition de l’irradiance directe normale annuelle (DNI, pour direct normal irradiance) , mais sa  mauvaise répartition peut être résolue par sa transformation en un vecteur énergétique facilement transportable (H2, syngas, hydrocarbure de synthèse, etc.).

L’exploitation de l’énergie solaire

L’énergie solaire a un fort potentiel, du fait de son abondance, mais il est surtout nécessaire de la convertir en une énergie dite “utile” (chaleur ou électricité). Ainsi, le rayonnement solaire peut être directement transformé en électricité via des cellules photovoltaïques, ou bien en chaleur. Dans ce dernier cas, la chaleur peut être produite à basse température (< 400 K) par des panneaux exposés directement au rayonnement solaire, ce qui est suffisant pour fournir de l’eau chaude domestique ou pour certains procédés industriels requérant de faibles températures. Obtenir de hautes températures (> 500 K) est également faisable, mais il est alors nécessaire de concentrer le rayonnement solaire. Ce concept s’appelle le solaire à concentration (CSP pour concentrated solar power). Cette chaleur peut être destinée à différents usages, mais est couramment employée dans un cycle thermodynamique à l’instar des centrales thermiques conventionnelles (charbon, nucléaire, etc.).

Les centrales solaires à concentration ont besoin d’un DNI moyenné sur une année très élevé. En effet, un fort DNI permet d’avoir un retour sur investissement plus court. Ainsi, les projets ou les centrales solaires à concentration déjà opérationnelles se trouvent dans des zones où la ressource solaire est la plus dense (sud-ouest des États-Unis, désert d’Atacama au Chili, sud de l’Europe, pays du Maghreb et du Moyen-Orient, sud de l’Afrique, en Australie, en Asie du sud-ouest, et dans le nord de la Chine) .

Aujourd’hui, même si les centrales solaires à concentration se situent dans des régions possédant un fort DNI, le coût de production de l’énergie par kWh par cette technologie reste supérieur au coût de production de l’énergie produite par les énergies fossiles . Cette figure montre également que le CSP produit une énergie plus chère que le reste des autres énergies renouvelables, notamment le photovoltaïque. Cependant, il faut noter qu’entre 2010 et 2017, le LCOE (pour Levelized Cost Of Energy, et défini comme le ratio de la somme des coûts de chaque composant et de la somme de l’énergie produite pendant toute la durée de vie [4]), a fortement diminué, d’environ un tiers, pour les centrales solaires à concentration . Cela est majoritairement dû à une progression de la maturité et à des améliorations de ces technologies. Le stockage de chaleur, qui est l’atout majeur de cette technologie surtout face au photovoltaïque, et de nouvelles améliorations permettront de diminuer de nouveau le LCOE, rendant le CSP de plus en plus compétitif.

Les centrales solaires à concentration

Schématiquement, une surface de captation (ou collecteur) redirige le flux solaire vers une surface réceptrice placée dans le volume focal. C’est le principe de la concentration, et cette dernière est caractérisée par le facteur de concentration géométrique, C, défini comme étant le ratio entre la surface du collecteur et la surface réceptrice (ou récepteur). Le récepteur solaire recevant le flux solaire concentré permet de convertir l’énergie solaire en chaleur, chaleur ensuite transférée à un fluide caloporteur (HTF pour heat transfer fluid). La chaleur est alors soit stockée soit utilisée dans un cycle thermodynamique, fournissant de l’énergie mécanique, elle-même convertie en électricité par le biais d’un générateur. Il existe d’autres utilisations de la chaleur produite par le récepteur (carburants solaires, chimie solaire, etc.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Contexte, état de l’art et objectifs
I.1. L’énergie solaire et son exploitation
a) La ressource solaire
b) L’exploitation de l’énergie solaire
c) Les centrales solaires à concentration
I.2. Les centrales solaires à tour
a) Fonctionnement actuel
b) Les cycles combinés (CC) : une voie d’amélioration
c) Le récepteur solaire
I.3. Matériaux pour récepteurs solaires
a) Critères de sélection des matériaux
b) Revue des matériaux
c) Assemblage substrat/revêtement
I.4. Contexte et objectifs de la thèse
Chapitre II : Matériaux et méthodes
II.1. Matériaux
a) Matériaux étudiés et composition des alliages
b) Matériaux revêtus
II.2. Méthodes
a) Moyens pour les essais d’oxydation
b) Moyens de caractérisation
c) Propriétés radiatives
Chapitre III : Résistance à l’oxydation, et comportement sous flux solaire concentré
III.1. Inconel 625
a) Oxydation en four résistif
b) Comportement sous flux solaire concentré
III.2. TZM revêtu d’AlN
Comportement sous flux solaire concentré
III.3. FeCrAlloy
a) Oxydation en four résistif
b) Comportement sous flux solaire concentré
III.4. Kanthal APMT
a) Oxydation en four résistif
b) Comportement sous flux solaire concentré
III.5. Kanthal Super ER
a) Oxydation en four résistif
b) Comportement sous flux solaire concentré
III.6. Conclusions
Chapitre IV : Influence de l’oxydation et du revêtement sur les propriétés radiatives
IV.1. Influence de l’oxydation sur les propriétés radiatives des alliages bruts
a) Inconel 625
b) FeCrAlloy
c) Kanthal APMT
d) Kanthal Super ER
IV.2. Influence du revêtement et de son oxydation
a) FeCrAlloy
b) Kanthal APMT
c) Kanthal Super ER
IV.3. Conclusions
a) Effet de l’oxydation sur les propriétés radiatives des matériaux de référence
b) Effet du revêtement et de son oxydation sur les propriétés radiatives
c) Conclusions sur les matériaux produisant une couche d’alumine
Conclusions et perspectives
Annexes

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