Soutenance mémoire
Le réchauffement climatique et le dérèglement météorologique sont devenus les sujets phares des discussions internationales actuelles. Nous avons recensé ces dernières années de nombreux cataclysmes météorologiques qui sont d’après les spécialistes associés au réchauffement climatique causé par l’augmentation de la teneur en gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère. Les activités humaines en sont la principale cause. En effet, les grands secteurs d’activités humaines utilisent des ressources polluantes pour fonctionner. On peut citer par exemple le secteur industriel ou encore le secteur énergétique qui utilise majoritairement des énergies fossiles telles que le charbon ou le gaz naturel. Or ces deux ressources libèrent une immense quantité de GES dans l’atmosphère.
Les solutions qui permettraient de réduire l’impact humain sur l’environnement seraient d’une part de réduire notre consommation énergétique et d’autre part d’utiliser massivement des ressources vertes dites renouvelables pour notre production d’énergie. En cela, l’énergie solaire est l’une des ressources renouvelables disponible en grande quantité sur toute la surface terrestre. Cette dernière peut avoir différentes applications : la production de chaleur, la photosynthèse ou encore la production d’électricité. Il existe deux types de technologies permettant de convertir l’énergie solaire en électricité. La première est la technologie des panneaux photovoltaïques (PV) et la deuxième repose sur la technologie des centrales solaires thermodynamiques à concentration (CSTC). Cette dernière présente cependant un avantage non négligeable par rapport à la première qui se situe au niveau du stockage de l’énergie. En effet, les dispositifs s’appuyant sur des énergies renouvelables souffrent de leur dépendance à l’intermittence de la ressource énergétique. Le soleil par exemple n’est pas disponible sur une journée entière de 24 h. Il est donc impossible de produire de l’électricité pendant une certaine période de la journée d’où la nécessité d’avoir un système de stockage de l’énergie permettant de répondre à la demande en énergie à tout moment.
La technologie des CSTC permet à la différence de la technologie des panneaux PV de stocker une grande quantité d’énergie et de la relancer sur le réseau pendant les périodes d’absence du soleil. Cet atout et la possibilité de produire aussi des biocarburants (type hydrogène) font des CSTC une technologie prometteuse. Les principaux défauts de cette technologie se situent au niveau de son rendement et de son fort coût d’investissement. C’est la raison pour laquelle, de nombreuses études sont menées afin d’améliorer le rendement de ces installations.
Dans les CSTC, les rayons solaires sont d’abord concentrés via un champ de miroirs hautement réfléchissants nommés héliostats vers une cellule réceptrice élaborée à partir de matériaux optiquement absorbants. L’énergie radiative incidente est absorbée par la cellule réceptrice puis convertie en chaleur afin de permettre dans un second temps d’élever la température d’un fluide caloporteur circulant dans celleci et ainsi initier un cycle thermodynamique. Ce cycle thermodynamique convertira la chaleur en travail et l’alternateur couplé à une turbine convertira le travail en énergie électrique. Comme évoqué précédemment, les limitations des CSTC résident dans ses faibles rendements de conversion solaire/électricité par rapport à son coût d’investissement élevé. Il est donc primordial d’améliorer les rendements globaux des CSTC afin de les rendre attractifs sur le marché.
Production et consommation mondiale d’électricité
La part de l’électricité dans la consommation d’énergie mondiale ne cesse de prendre de l’ampleur à cause des enjeux environnementaux. Cette augmentation est la conséquence de deux phénomènes. Le premier est lié au désir mondial de réduire la pollution induite par l’utilisation de ressources primaires dans les secteurs de l’industrie, du bâtiment et du transport. Le second est lié à l’amélioration des rendements des systèmes de production d’électricité à partir de ressources renouvelables ce qui les rend de plus en plus compétitifs.
Évolution de la demande mondiale
Connaissant l’importance de l’énergie électrique, nous pouvons à partir des différents scénarios politiques, évaluer la tendance de l’évolution de la demande en électricité. Si on se réfère au rapport de l’IEA (International Energy Agency 2019) la demande mondiale d’électricité augmente de 2.1% par an depuis 2018 et devrait se poursuivre jusqu’en 2040. Les causes de la croissance de la demande sont différentes selon les types de pays concernés. Pour les pays ayant une économie avancée, la demande est surtout liée à la croissance de la numérisation des services et à l’électrification des ménages. Dans les pays avec une économie en développement, la demande en électricité est due à l’expansion de la production industrielle et à la croissance du secteur des services.
Technologies de conversions et ressources
Plusieurs technologies permettent la conversion de ressources premières en électricité. Les ressources utilisées sont généralement classées en deux familles :
➢ Les ressources primaires, ou encore ressources non renouvelables (charbon, gaz naturel, pétrole et uranium enrichi).
➢ Les ressources vertes, ou encore ressources renouvelables (eau, vent, soleil, océan, chaleur terrestre, et biomasse) .
Les technologies de conversion peuvent être classées selon leur niveau de pollution atmosphérique. Dans ce type de classement, les systèmes de conversion sont caractérisés selon leur niveau de libération de gaz à effet de serre (GES). On parle alors de système carboné ou décarboné (carbone en référence au dioxyde de carbone CO2). De ce fait l’énergie nucléaire n’est pas un système carboné, car son empreinte en carbone est nul en fonctionnement. Cependant du fait de l’utilisation d’uranium (ressource épuisable à l’échelle de l’homme sur Terre) comme matière première pour la production d’électricité, nous avons classé les centrales nucléaires parmi les technologies non-renouvelables.
Ressources primaires et technologies
La conversion de ressources non renouvelables en électricité se fait généralement grâce à des technologies utilisant des cycles thermodynamiques. C’est le cas des centrales thermiques. Dans ces installations, la combustion de matières premières permet de générer de la chaleur afin de vaporiser un fluide caloporteur tel que l’eau. Le fluide caloporteur sous forme de vapeur permettra lors de sa circulation dans une turbine couplée à un alternateur de produire de l’électricité. Les matières premières utilisées dans ces installations sont les suivantes :
➢ Le pétrole dans les centrales à fuel .
➢ L’uranium enrichi dans les centrales nucléaires .
➢ Le charbon dans les centrales à charbon .
➢ Le gaz naturel dans les centrales à gaz .
Les systèmes utilisant le pétrole, le charbon ou le gaz naturel comme ressource sont regroupées sous l’appellation de thermique à flemme, du fait de la génération de flamme via une processus de combustion. Le nucléaire est considéré comme à part car dans ce type de système, la chaleur est produite par la fission des atomes d’uranium. Il n’y a donc pas de génération de flamme et donc pas de libération de GES.
Les politiques énergétiques actuelles visent à réduire la libération des GES qui sont la cause principale du réchauffement climatique. Pour ce faire, de nouvelles mesures sont prises afin de réduire de manière significative le recours à des systèmes de production d’électricité utilisant des ressources primaires. Bien évidemment, le cas des centrales nucléaires reste un sujet à controverse et leur utilisation va dépendre de la politique énergétique et économique suivie dans le pays concerné. La France est un parfait exemple d’un pays dont la politique énergétique est axée sur la production d’électricité via le nucléaire. Selon les rapports de 2019 et de 2020 du RTE (Réseau de Transport d’Électricité 2019, 2020) la majeure partie de la production d’électricité de France provient du nucléaire soit environ 71.6% de la production de 2018 . En comparant la répartition des modes de production de l’électricité mondiale avec celle de la France , on constate que la situation énergétique mondiale diverge de celle de la France. Contrairement à la France, la production d’électricité mondiale est majoritairement issue des systèmes de thermique à flamme.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE 1 : CONTEXTE
1.1 PRODUCTION ET CONSOMMATION MONDIALE D’ELECTRICITE
1.2 CENTRALE SOLAIRE THERMODYNAMIQUE A CONCENTRATION
1.3 RECEPTEURS SOLAIRES POUR CENTRALE SOLAIRE A TOUR
1.4 CARBURE DE SILICIUM
1.5 CONCLUSION
PARTIE 2 : THEORIE ET MODELES NUMERIQUES
2.1 INTRODUCTION
2.2 LE RAYONNEMENT THERMIQUE
2.3 PROPRIETES RADIATIVES ET MODELE NUMERIQUE
2.4 LA DYNAMIQUE MOLECULAIRE
2.5 ÉVALUATION DE LA FONCTION DIELECTRIQUE IR PAR LA DMC
2.6 MODELE NODAL POUR LE CALCUL DU RENDEMENT DE CONVERSION SOLAIRE/THERMIQUE DE L’ABSORBEUR
PARTIE 3 : RESULTATS
3.1 CHOIX DES POTENTIELS INTERATOMIQUES
3.2 PROPRIETES THERMO-RADIATIVES DU SIC 3C
3.3 PROPRIETES THERMO-RADIATIVE DU SIC 6H
3.4 ÉTUDE DU TIC-SIC
3.5 PERFORMANCE DE LA CENTRALE SOLAIRE
CONCLUSIONS GENERALES
PUBLICATIONS ET CONFERENCES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
LISTE DES FIGURES I
LISTE DES TABLEAUX IX
ANNEXE
