Contexte : This internship is part of the SOLAIRE ANR project which includes 2 Ph.D. students. The SOLAIRE project aims to improve the efficiency of converting concentrated solar energy into electricity using artificial intelligence. The key component of these power plants is the solar receiver, which converts concentrated solar energy into thermal energy and transfers it to a heat-carrying fluid, pressured air in our case. The project focuses on maximizing thermal transfers between the gas and the wall of the solar receiver, while minimizing pressure losses. This is done through optimization of thermal transfers and the development of strategies for controlling near-wall turbulence in the solar receiver using machine learning. To best assess different types of Thermal-Large Eddy Simulation (T-LES) models in our study case, it is necessary to run simulations with different types of models on different meshes to obtain the most accurate assessment of these models. This type of simulation offers a good perspective as it’s comparatively much cheaper than Direct Numerical Simulation (DNS).
Contexte : Dans le cas d’une application de traitement des eaux, les catalyseurs ne sont capables d’exploiter que la part UV du spectre solaire qui ne représente que 5 – 7% de la part globale, contre 50 % par exemple pour le domaine visible. Actuellement les performances photocatalytiques des semiconducteurs élaborés en laboratoire ou dans l’industrie sont insuffisantes (moins de 1 photon sur 100 donne lieu à la création d’un radical utile pour initier la minéralisation des polluants) et rendent quasi rédhibitoire tout développement à grande échelle du concept de traitement par photocatalyse. Ces performances dépendent de plusieurs paramètres. Le rendement optique du catalyseur est une grandeur clef qui exprime le rapport entre le taux de charges photo-générées et le nombre de photons reçus. Pour les photocatalyseurs, ce rendement est donc un indicateur pertinent des performances potentielles du système photocatalytique puisqu’il informe sur la capacité du matériau à produire des radicaux à partir des photons disponibles et de leurs caractéristiques (densité de flux, plage spectrale etc).
Contexte : Dans le contexte énergétique actuel, le développement et l’optimisation des procédés de conversion des énergies renouvelables suscite de plus en plus d’attention. L’énergie solaire thermique est parmi les sources d’énergie renouvelables les plus performantes et moins polluantes. Malheureusement, les pertes thermiques avec l’environnement restreignent les performances des collecteurs solaires associés à des systèmes de concentration linéaire lorsqu’ils fonctionnent à moyenne température (> 100°C). Des nouveaux collecteurs solaires volumiques sont à l’étude permettant de réduire les pertes thermiques et augmenter le rendement global. Parmi ces solutions innovantes les collecteurs à absorption directe (DASC) présentent plusieurs avantages. Ces collecteurs solaires thermiques utilisent un nanofluide (fluide avec des nanoparticules en suspension) comme milieu absorbant.
Ce stage s’inscrit dans des enjeux énergétiques importants et d’actualité : la valorisation de chaleurs basse température (telles que l’énorme gisement de rejets thermiques industriels, l’énergie solaire basse concentration…), la problématique du stockage pour gérer les fluctuations à la fois des sources et des demandes énergétiques, et la demande croissante en électricité et en froid. Pour répondre à ces problématiques, le laboratoire a défini un procédé thermodynamique innovant intégrant une cogénération de froid et d’électricité associé à une fonction stockage d’énergie.
Programme du stage
Ce stage débutera classiquement par une phase d’apprentissage des acquis du laboratoire sur ces systèmes hybrides.
Expérimentations : le ou la stagiaire participera aux campagnes expérimentales, avec une attention particulière aux conditions de fonctionnement de l’organe de détente.
Modélisation et simulation numérique : le ou la stagiaire se familiarisera avec l’outil de simulation dynamique existant. Sur la base des résultats expérimentaux, il ou elle analysera la validité du modèle, et identifiera les paramètres caractéristiques. Des modèles plus complets d’organes de détente disponibles dans la littérature seront éventuellement testés. L‘objectif étant de déterminer un modèle d’organe de détente représentatif, mais de complexité modérée pour l’intégrer dans le modèle global de cycle hybride.
Voies d’optimisation : analyse thermodynamique, identification des principales irréversibilités
Contexte La valorisation des rejets industriels, autrement appelés chaleurs fatales, est un gisement très important d’énergie et qui est actuellement sous-exploité. D’après l’ADEME, le déploiement de systèmes capables de transformer ces rejets (en froid ou en électricité) et de stocker cette énergie est un levier pour mener à bien la transition énergétique. Des systèmes de conversion sont d’ores et déjà disponibles pour la valorisation de chaleur à des températures supérieures à 100°C. Cependant, pour des températures de source inférieures, aucune solution n’est actuellement proposée. Une réponse est le développement de systèmes de conversion et de stockage d’énergie multifonctionnels (multi-effets utiles) fonctionnant à basse température. Pour cela, il est possible de combiner des cycles à éjecto-compresseur et des cycles thermochimiques pour obtenir des cycles hybrides innovants associant valorisation de chaleur basse température (< 100 °C) et multifonctionnalité (stockage et production de froid). Dans la littérature, des cycles hybrides couplant cycle à compression mécanique de vapeur et cycle thermochimique ont été étudiés et ont démontré leur potentiel de valorisation d’énergie thermique basse température pour le stockage et la production de froid. Cependant, ces cycles induisent une consommation d’électricité qui serait très fortement réduite avec les cycles hybride proposés. Afin d’évaluer leur potentiel de développement, il est indispensable de caractériser de manière précise les conditions de fonctionnement de ces cycles et notamment le couplage entre le réacteur thermochimique et l’éjecto-compresseur. Le laboratoire PROMES mène depuis le milieu des années 2010 des travaux sur l’hybridation des cycles thermochimiques pour développer des cycles multifonctionnels (froid + stockage, froid + électricité + stockage) pour la valorisation de chaleur moyenne et basse température [4-6]. Ces premiers travaux ont abouti à la définition de nouvelles architectures de cycles dont certains font actuellement l’objet d’expérimentations financées par des projets ANR (RECIF et ThermHyVal) et un projet de prématuration de CNRS. Ces recherches sont au coeur des travaux actuellement menées dans l’action « stockage et polygéneration » de l’axe « Stockage et Chimie Solaire » du laboratoire PROMES
Programme du stage
La première partie de ce stage sera consacrée à l’étude bibliographique des cycles à sorption pour la valorisation de chaleur basse température. Après avoir établi les différentes configurations de cycle possibles, une modélisation thermodynamique statique sera développée pour produire un outil de simulation capable de déterminer, les conditions opératoires, les performances énergétiques et exergétiques pour un grand nombre de couples réactifs connus. L’ensemble de ces taches sera réalisé en étroite collaboration avec l’équipe
Contexte Le solaire à concentration permet d’obtenir des températures comprises entre 500 et 2500°C, domaine parfaitement adapté à la synthèse, la purification et le recyclage de matériaux (1, 2, 3). Cette dernière application a fait l’objet de très peu de travaux. Pourtant le recyclage et la purification des matériaux constituent une niche potentielle d’application du solaire à concentration (d’ailleurs identifiée par Félix Trombe, fondateur du Four solaire, il y a des décennies) que ce stage se propose d’explorer en prenant pour exemple les batteries Li-ion. En effet, le développement rapide de ces batteries nécessite, en parallèle, la mise au point de procédé propre de recyclage des métaux critiques tels que Li, Co, Mn et Ni.
Déroulé du stage Le stage sera structuré selon les phases suivantes :
Etude bibliographique sur les procédés de recyclage des batteries Li-ion et identification des méthodes pyro-métallurgiques adaptées à l’utilisation du solaire à concentration.
Essais paramétriques pour identifier les domaines de température favorable.
Caractérisation des produits obtenus et comparaison avec les méthodes classiques
Objectif Une méthode de simulation numérique directe d’écoulements fluide – particules solides, utilisant la méthode Front-Tracking (FT) du logiciel TrioCFD et une approche Discrete Element Method (DEM), a récemment été développée. La fonction indicatrice permet de connaître le taux de présence solide dans chaque maille du domaine. Elle est calculée précisément au centre des mailles cubiques et interpolée aux faces de celles-ci. L’erreur commise lors de l’interpolation influe d’autant plus sur le frottement que le rapport de viscosité ente les deux phases est important. Les particules solides étant définies comme un liquide dont la viscosité est très grande (> 103) devant la viscosité du fluide, le frottement à l’interface fluide – particule est surestimé. L’objectif du stage est d’implémenter un calcul précis de la fonction indicatrice aux faces des mailles.
La modélisation et la simulation des écoulements solide-gaz à haute température a un impact important sur le développement des technologies solaires à concentration du futur pour plusieurs raisons :
Les lits fluidisés peuvent être mis en œuvre comme nouveau fluide de transfert dans les récepteurs des centrales solaires de 3ème génération (particules inertes, projet européen Next-CSP).
Les systèmes solide-gaz offrent des perspectives nombreuses dans le domaine du stockage thermochimique (systèmes redox, hydroxydes ou carbonates).
Les réactions gaz-solide sont majoritaires dans l’industrie minérale, secteur prometteur pour le développement des applications de la chaleur solaire dans l’industrie (décarbonatation, projet européen SOLPART).
Les réactions gaz-solide sont présentes dans les procédés de gazéification de la biomasse ou de déchets, en introduisant le solide à traiter dans un lit fluidisé par de la vapeur d’eau (ou un mélange d’air et de vapeur d’eau). L’utilisation de la chaleur solaire est également envisagée dans ces secteurs pour la production de gaz de synthèse dit syngas.
Le cracking du méthane ou du gaz naturel pour produire de l’hydrogène et des noirs de carbone peut se faire dans un réacteur solaire opérant à 1100°C environ. Le gaz naturel est décomposé sur des particules de graphite.
Objectif
Développement d’une méthode de simulation numérique directe fluide-particules utilisant la méthode Front-Tracking (FT) du logiciel TrioCFD et une approche Discrete Element Method (DEM).
Méthode
La méthode FT du logiciel TrioCFD est une méthode puissante pour la simulation des écoulements diphasiques. Elle utilise un maillage mobile de surface qui représente explicitement les interfaces. Elle permet donc de décrire précisément la géométrie des particules ainsi que les interactions entre le fluide et les particules. Récemment, cette méthode initialement développée pour les écoulements liquide/gaz a été adaptée pour les écoulements fluide/particules. Les interactions particules/particules sont modélisées par des lois de collision (DEM). Le caractère indéformable des particules est obtenu grâce à une pénalisation par la viscosité : une viscosité très importante est utilisée dans les mailles occupées par la phase solide (les particules). Dans les volumes de contrôle traversés par l’interface particules/fluide, on utilise une viscosité moyenne en fonction de la proportion occupée par la phase solide (taux de présence). Actuellement, ce taux de présence est calculé précisément sur les mailles du domaine et il est seulement interpolé aux autres endroits d’intérêt – notamment sur les bords des volumes de contrôle. Afin d’augmenter la précision des simulations et d’en diminuer le coût de calcul, la/le stagiaire devra implémenter le calcul précis du taux de présence aux différents endroits d’intérêt.
Face aux enjeux climatiques et énergétiques, les technologies solaires offrent une voie de production d’énergie (chaleur et électricité) renouvelable et décarbonée. L’hybridation du solaire photovoltaïque (PV) avec le solaire thermique à concentration (CSP) couple le potentiel de conversion du PV et la capacité de stockage du CSP (stockage thermique plus aisé que l’électrochimique), palliant ainsi mieux l’intermittence solaire. L’hybridation peut se faire par exemple via des centrales hybrides PV + CSP : deux champs solaires, une turbine, PV le jour, déstockage CSP la nuit. L’autre option, étudiée dans ce stage, concerne des centrales à récepteurs solaires hybrides PV/CSP : des « miroirs PV » installés sur des concentrateurs cylindro-paraboliques. Ces miroirs PV comportent des cellules PV protégées par une surface dite à sélectivité/division spectrale, qui transmet une partie du spectre solaire vers les cellules sous-jacentes et renvoie le reste vers des absorbeurs thermiques (Figure 1). Cette fonction optique complexe peut être obtenue grâce à des architectures de couches minces, qui doivent être simulées et optimisées, dans le but de maximiser les performances de production PV et CSP.
Figure 1 – Exemple de principe de récepteurs hybrides PV/CSP à sélectivité spectrale [1]
La thématique Matériaux pour l’Energie et l’Espace (MEE) du laboratoire PROMES a une expertise dans le développement d’architectures couches minces à sélectivité spectrale pour le CSP, à travers leur design par simulation/optimisation [2], leur élaboration et caractérisation. MEE a aussi une expertise dans la simulation des performances de systèmes PV, CSP et hybrides PV/CSP [3]. Dans ce cadre, l’objectif du stage est d’établir par simulation les performances atteignables en hybridation PV/CSP, basée sur des associations réalistes de cellules PV existantes et d’architectures sélectives potentielles pour le miroir PV. L’absorbeur thermique pourra aussi être adapté au spectre solaire tronqué réfléchi par le miroir PV. Ces performances seront comparées à celles de systèmes PV et CSP autonomes pour évaluer la pertinence de ce mode d’hybridation.
Contenu du stage
Sélection de matériaux pertinents pour les miroirs PV : cellules PV et architectures sélectives
Détermination de la fonction optique spectrale cible à atteindre pour les architectures sélectives
Simulation/optimisation de la réponse optique spectrale des architectures basées sur les matériaux sélectionnés
Évaluation et comparaison des performances de systèmes PV/CSP basés sur ces matériaux et composants
Profil du candidat
Niveau BAC+5 (Master ou Ingénieur). Compétences souhaitées: Sciences des matériaux, couches minces, optique, outils de calcul (Matlab/Scilab)
Références
[1] K. Fisher, Z. (Jason) Yu, R. Striling, Z. Holman, AIP Conference Proceedings. 1850 (2017) 020004. doi.org/10.1063/1.4984328. [2] A. Grosjean, A. Soum-Glaude, L. Thomas, Solar Energy Materials and Solar Cells. 230 (2021) 111280. doi.org/10.1016/j.solmat.2021.111280. [3] A. Vossier, J. Zeitouny, E.A. Katz, A. Dollet, G. Flamant, J.M. Gordon, Sustainable Energy Fuels. 2 (2018) 2060–2067. doi.org/10.1039/C8SE00046H.
Lieu, durée du stage
Le stage débutera en février pour une durée de 4 à 6 mois. Il aura lieu au Laboratoire PROMES – Site d’Odeillo
Candidature
Les lettres de candidature devront être accompagnées d’un CV et adressées à :
La société SUNCNIM – filiale du Groupe CNIM – développe et fournit des technologies solaires à concentration, pour la génération d’électricité ou de chaleur. SUNCNIM est lauréat en 2012 d’un appel d’offres de la Commission de Régulation de l’Energie (CRE) lui permettant de développer sa technologie de concentration solaire à échelle industrielle. La société inaugure en 2019 à Llo dans les Pyrénées-Orientales une centrale solaire thermodynamique reposant sur des collecteurs solaires linéaires Fresnel à génération directe de vapeur et équipé d’un système de stockage d’énergie.
De nos jours, la plupart des centrales en opération se basent sur des cycles thermodynamiques de Rankine ou de Hirn pour convertir l’énergie thermique des champs solaires en énergie électrique. Ainsi, la vapeur d’eau est le fluide de travail classiquement utilisé dans les centrales à concentration, cette vapeur est, pour la plupart des installations, produite dans des échangeurs de chaleur. Ces échangeurs sont alimentés par un fluide caloporteur (huile, sel fondu – circuit primaire) provenant des champs solaires et transfèrent de l’énergie thermique au fluide de travail (eau – circuit secondaire) afin de générer de la vapeur d’eau et alimenter le cycle thermodynamique (Figure 1-a). Une autre approche moins répandue est de considérer un seul circuit où la génération de vapeur est réalisée dans les lignes solaires (Figure 1-b). Ce choix technologique, retenu par SUNCNIM pour leurs collecteurs solaires, a l’avantage de réduire les coûts d’installation par la simplification des circuits hydrauliques et le prix du fluide caloporteur. Ainsi, cette configuration est principalement mise en œuvre dans des collecteurs solaires linéaires Fresnel qui affichent le même objectif de réduction des coûts.
Figure 1 : Schéma bloc d’une centrale solaire (a) composée de deux circuit et (b) à génération directe de vapeur
Dans le cadre d’une thèse CIFRE au laboratoire PROMES et en collaboration avec SUNCNIM, une modélisation de la centrale de Llo est en cours de développement. L’objectif étant d’optimiser les stratégies opératoires de la centrale et notamment la gestion du stockage. Ce modèle est décomposé en trois principales études : une modélisation optique des collecteurs solaires sur Tonatiuh, une modélisation thermohydraulique de l’écoulement diphasique au sein du tube absorbeur sur Matlab et enfin la construction du modèle global sur APROS – un logiciel de modélisation et de simulation de centrales électriques. La Figure 2 présente la structure du modèle à développer et les résultats de chaque étude seront ensuite utilisés comme données d’entrée de la modélisation suivante.
Figure 2 – Structure du modèle à développer
Objectif
Le stage sera consacré au développement du modèle thermohydraulique dans le but de caractériser l’écoulement diphasique dans le tube absorbeur du récepteur solaire. Fasquelle [1], durant sa thèse, a réalisé un modèle thermohydraulique sur Matlab pour caractériser le concentrateur cylindro-parabolique Microsol-R à Odeillo. Le but sera d’utiliser ses travaux afin d’adapter le modèle aux lignes solaires de la centrale de Llo en intégrant notamment la génération directe de vapeur. Les résultats de simulations, couplées au modèle optique, permettront de déterminer la performance des lignes solaires de la centrale de Llo. Ce modèle sera validé expérimentalement grâce aux données de la centrale solaire de Llo. Pour cela le stagiaire sera amené à rédiger un protocole d’expérimentation et devra le mettre en œuvre avec les exploitants de la centrale. Enfin, après validation, les résultats de ce modèle seront utilisés comme données d’entrée pour le modèle global.
Programme de recherche
Identification et analyse des mécanismes physiques mis en jeu à travers une étude bibliographique.
Modélisation thermohydraulique de l’écoulement diphasique avec l’outil Matlab.
Validation du modèle par les données de la centrale.
[1] T. FASQUELLE, Q. FALCOZ, and P. NEVEU, “Modélisation et caractérisation expérimentale d’une boucle solaire cylindro-parabolique intégrant un stockage de type thermocline,” 2018.
Ce travail fera l’objet d’une publication scientifique
Profil du candidat
Niveau BAC+5 (Master ou Ingénieur). Le candidat devra avoir une solide formation en mécanique des fluides et/ou en énergétique. Un attrait pour l’informatique et la modélisation est nécessaire compte tenu du caractère numérique de l’étude. Une bonne connaissance de l’outil Matlab sera appréciée.
Lieu de stage
Laboratoire PROMES – Site d’Odeillo. Des déplacements réguliers sont prévus sur le site de la centrale à Llo.
Candidature
Les lettres de candidature devront être accompagnées d’un CV et adressées à
Nous utilisons des cookies pour optimiser notre site web et notre service.
Fonctionnel
Toujours activé
Le stockage ou l’accès technique est strictement nécessaire dans la finalité d’intérêt légitime de permettre l’utilisation d’un service spécifique explicitement demandé par l’abonné ou l’utilisateur, ou dans le seul but d’effectuer la transmission d’une communication sur un réseau de communications électroniques.
Preferences
Le stockage ou l’accès technique est nécessaire dans la finalité d’intérêt légitime de stocker des préférences qui ne sont pas demandées par l’abonné ou l’utilisateur.
Statistiques
Le stockage ou l’accès technique qui est utilisé exclusivement à des fins statistiques.Le stockage ou l’accès technique qui est utilisé exclusivement dans des finalités statistiques anonymes. En l’absence d’une assignation à comparaître, d’une conformité volontaire de la part de votre fournisseur d’accès à internet ou d’enregistrements supplémentaires provenant d’une tierce partie, les informations stockées ou extraites à cette seule fin ne peuvent généralement pas être utilisées pour vous identifier.
Marketing
Le stockage ou l’accès technique est nécessaire pour créer des profils d’utilisateurs afin d’envoyer des publicités, ou pour suivre l’utilisateur sur un site web ou sur plusieurs sites web à des fins de marketing similaires.
