Soutenance mémoire
Le développement des sociétés, auparavant fondé sur un paradigme de ressources disponibles en quantité illimitée et sur une capacité illimitée de la bio-géosphère à retraiter les sous-produits et déchets des activités humaines, rencontre actuellement ses limites (Erkman 2004). Les sociétés doivent faire face à de nombreuses problématiques issues de leur propre développement. Parmi les plus cruciales se trouvent celles de la gestion de l’énergie et des ressources naturelles. En effet, l’utilisation massive de combustibles fossiles (charbon, puis pétrole et gaz naturel) qui a permis une forte augmentation de la production de valeur depuis la fin du 18e siècle – et plus particulièrement depuis les années 1950 – (BP 2017) génère un certain nombre de polluants, notamment de gaz à effet de serre (IPCC 2012b) dont l’accumulation rapide provoque des changements climatiques préoccupants (IPCC 2012a). Ce changement climatique accéléré lié aux activités humaines est particulièrement problématique pour l’agriculture et l’urbanisme, et a justifié la mise en place d’accords internationaux visant à diminuer les émissions de gaz à effet de serre afin de limiter l’intensité et la vitesse du changement climatique (United Nations 2015). Outre leurs effets sur la composition de l’atmosphère (changement climatique et pluies acides), les combustions d’hydrocarbures fossiles présentent également des impacts sanitaires, liés notamment à l’émission de particules fines, et aux rejets de sous-produits d’extraction et de raffinage.
Procédés générateurs de chaleur fatale
Par la suite, le terme Haute Température (HT) désignera des températures de flux comprises entre 400 et 1200°C. Les procédés générateurs de chaleur à très haute température sont relativement peu nombreux, aussi le gisement disponible diminue avec l’augmentation de température . Les proportions des différents niveaux de température suivent globalement le même profil pour la plupart des pays. Cependant, les pays présentant d’importantes activités minières et métallurgiques peuvent présenter des profils moins abrupts. la majorité du gisement de chaleur fatale est contenue dans des rejets à moyenne ou basse température. Il peut s’agir typiquement de rejets de vapeur ou de condensats. Il apparaît néanmoins que le domaine des HT correspond à un gisement non négligeable qui impose de développer des options et solutions technologiques tenant compte des contraintes fortes liées aux procédés concernés. Au-delà de la valeur absolue de ce type de gisement en termes de potentiel énergétique, ces gisements sont concentrés dans des secteurs industriels pour lesquels l’énergie constitue souvent une part importante des coûts de production. Les hautes températures permettent également d’envisager davantage de voies de valorisation pour la chaleur fatale.
Il est important de rappeler ici que le potentiel estimé ne concernait que 5 secteurs industriels, qui ne sont pas les seuls producteurs de chaleur fatale dans des gammes de températures intéressantes (>400°C). On peut notamment citer :
➤ Les industries minières, en particulier celles impliquant le grillage à haute température (par exemple le cuivre)
➤ Les industries de la chimie minérale, notamment celles des acides/bases et de la chaux (décarbonatation de la calcite vers 900°C)
➤ Les industries céramiques (tuiles, briques, dalles, porcelaines et réfractaires)
➤ Les industries mécaniques, notamment via les fours de recuit des pièces .
Les industries mentionnées dans cette section, dans une optique de diminution des coûts de production et d’optimisation énergétique de leurs procédés, ont toutes besoin de systèmes de valorisation de chaleur fatale. La grande diversité des procédés, que ce soit en termes de fonctionnement (batch, semi-batch, continu), de stabilité des températures (flux gazeux à température variable dans le temps) ou de propriétés de ces flux (taux de particules, caractère corrosif, présence de goudrons…), impose de développer des solutions technologiques simples, robustes, particulièrement versatiles et supportant des conditions de fonctionnement très variées. Ceci pour éviter d’avoir à développer des solutions qui seront conçues et optimisées pour une industrie ou un mode de fonctionnement particulier.
Limites des procédés de valorisation
La chaleur fatale disponible de manière continue et dans des conditions stables est la plus facilement valorisable. Cette valorisation est opérée via l’utilisation d’échangeurs thermiques HT qui permettent l’alimentation en chaleur d’une boucle secondaire assurant une production de vapeur, une réinjection de chaleur dans le procédé ou une production d’électricité. Cette dernière option intervient via des cycles thermodynamiques (Rankine, Rankine Organique, Kalina…). Leurs performances se dégradant rapidement en dehors de leur régime nominal de fonctionnement, leur utilisation n’est généralement recommandée que pour des flux de chaleur dont les propriétés sont constantes dans le temps (stabilité des débits et des températures).
La combinaison échangeur de chaleur/production d’électricité bien adaptée au « régime permanent » est néanmoins difficile à intégrer dans les procédés discontinus (Battisti, Cozzini, and Macii 2016; U.S. Department of Energy 2008) rencontrés fréquemment dans l’industrie. La Figure 9 illustre dans le cas d’un cubilot de fonderie (déjà équipé d’un récupérateur) la fluctuation de la chaleur fatale disponible en fonction des modalités de production de la fonte. Sur cet exemple caractéristique, le procédé de valorisation doit être capable, pour être efficace, de gérer une ressource délivrée sur une large plage de température (300 à 500°C) et de puissance (1000 à 4000 kW).
Perspectives CSP: systèmes à air et hybridation
Les limites de températures liées à l’utilisation d’huiles et de sels de nitrates fondus comme caloporteurs ne permettent pas d’exploiter pleinement le potentiel des centrales à tour, capables de fonctionner à 1000°C. De plus, ces fluides présentent d’autres inconvénients techniques, économiques, environnementaux et industriels :
– Les huiles sont des combustibles, et les sels de nitrate fondus sont comburants. De fait, leur utilisation introduit des contraintes de sécurité
– Les sels fondus utilisés dans les centrales solaires sont obtenus à partir de nitrates naturels, extraits au Chili. Les volumes de production sont limités (~1Mt/an), et la majorité de la production est utilisée pour la synthèse d’engrais nitrés destinés à l’agriculture. Ainsi, le développement du CSP introduit un conflit d’usage pour cette ressource, et elle est considérée comme le point limitant pour le développement du solaire à concentration (Pihl et al. 2012)
– Les impacts environnementaux liés à l’utilisation de ces fluides peuvent être importants. Bien que les sels de nitrates puissent être obtenus par synthèse plutôt qu’extraits, la synthèse est énergivore (Batuecas et al. 2017)
– Les huiles, mais plus particulièrement les sels fondus voient leur viscosité augmenter à basse température. En dessous de 250°C, les sels fondus cristallisent. Les centrales doivent donc se doter de systèmes permettant de réchauffer les sels fondus la nuit, ou en cas de baisse de l’ensoleillement. Cela limite également la différence de température maximale applicable à ces sels, ce qui limite encore l’efficacité des systèmes de conversion. Cela entraine également des surcoûts liés à l’installation et l’opération de tels systèmes.
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Table des matières
Introduction générale
Partie A. Systèmes de stockage thermique à haute température pour la valorisation de la chaleur fatale industrielle
A.1. Introduction
A.1.1 Définition et description
A.1.2 Procédés générateurs de chaleur fatale
A.1.3 Estimation du gisement mondial à HT, pour 5 secteurs industriels
A.2. Limites des procédés de valorisation
A.3. Centrales solaires thermodynamiques à concentration
A.3.1 Principes de fonctionnement
A.3.2 Centrales à tour
A.3.3 Perspectives CSP: systèmes à air et hybridation
A.4. Systèmes de stockage de chaleur sensible
A.4.1 Intérêt du stockage de chaleur
A.4.2 Systèmes de stockage thermique régénératifs
A.5. Etat de l’art des systèmes de stockage thermocline air/solide
A.5.1 Comportement des systèmes de stockage thermique régénératifs
A.5.2 Retour d’expérience sur le stockage thermocline sur lit en vrac
A.5.3 Limites de l’état de l’art et voies de recherche
A.6. Matériaux de stockage thermique
A.7. Les céramiques frittées
A.7.1 Broyage
A.7.2 Mise en forme
A.7.3 Frittage
A.8. Un déchet industriel intéressant : le mâchefer d’incinérateur
A.8.1 Le procédé d’incinération : intrants, fonctionnement et bilan matière
A.8.2 Post-traitement du mâchefer et débouchés
A.8.3 Considérations économiques et industrielles
A.9. Céramiques frittées de mâchefer d’incinérateur
A.9.1 Caractéristiques physico-chimiques et thermiques des mâchefers
A.9.2 Méthodes de broyage et granulométrie
A.9.3 Mélanges et mise en forme
A.9.4 Protocoles de cuisson et propriétés des frittés
A.9.5 Discussion
A.10. Eco-Tech Ceram
A.10.1 Historique et objectifs
A.10.2 Le projet Eco-Stock
A.10.3 Elaboration de matériaux de stockage thermique
A.11. Conclusion
Partie B. Développement d’une céramique frittée issue de mâchefer d’incinérateur destinée à des applications de stockage thermique
B.1. Objectifs et stratégie
B.2. Sélection d’échantillons et caractérisations préliminaires
B.2.1 Granulométrie
B.2.2 Composition chimique et comportement thermique
B.3. L’argile SD
B.3.1 Description et provenance
B.3.2 Caractéristiques
B.4. Protocole de broyage du mâchefer
B.4.1 De la nécessité du broyage du mâchefer
B.4.2 Protocoles de broyage
B.5. Travaux préliminaires
B.5.1 Détermination de la température de cuisson idéale au TMA
B.5.2 Détermination du domaine de température de cuisson au four gradient
B.6. Céramiques pressées
B.6.1 Description du protocole
B.6.2 Détermination des bornes du domaine expérimental et plan d’expérience
B.6.3 Plan factoriel complet
B.6.4 Discussion
B.7. Céramiques extrudées
B.7.1 Description du protocole d’extrusion
B.7.2 Problématique spécifique de l’extrusion : formulation des pâtes plastiques
B.7.3 Essais d’extrusion sur extrudeuses manuelle et pré-industrielle
B.7.4 Extrusion pré-industrielle
B.7.5 Résultats
B.8. Conclusions et perspectives
B.8.1 Conclusions
B.8.2 Perspectives
Partie C. Etude expérimentale de susceptibilité d’un stockage thermocline air/céramique aux conditions opératoires
C.1. Introduction et objectifs
C.2. Méthode d’analyse du comportement des systèmes thermoclines
C.2.1 Considérations générales
C.2.2 Hypothèses utilisées
C.2.3 Analyse du comportement en charge
C.2.4 Analyse du comportement en décharge et cycles
C.2.5 Analyse du comportement en enchainement de cycles
C.3. Premier pilote : effet des conditions de charge sur le comportement du système
C.3.1 Pilote V1, historique et objectifs
C.3.2 Conception du pilote V1 et stratégie expérimentale
C.3.3 Résultats du pilote V1
C.3.4 Enseignements et perspectives
C.4. Second pilote : effet des conditions opératoires sur les performances du système
C.4.1 Objectifs du pilote V2
C.4.2 Conception du pilote
C.4.3 Stratégie expérimentale
C.4.4 Evaluation des débits d’air
C.4.5 Résultats et discussions
C.4.6 Unité pré-industrielle Eco-Stock
C.5. Conclusions et perspectives
C.5.1 Conclusions
C.5.2 Perspectives
Conclusion générale
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