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.
Les lits fluidisés circulants possèdent des caractéristiques exceptionnelles en termes de transport et de mélange, de mise en contact entre la phase dispersée et le milieu gazeux, d’inertie thermique et de transfert en parois. Ces caractéristiques les rendent très présents dans le domaine de l’énergie notamment pour le développement de procédés innovants qui répondent aux enjeux de la transition énergétique. Les lits fluidisés circulants gaz-solide sont étudiés par le laboratire PROMES comme une alternative aux fluides caloporteurs qui sont utilisés pour transporter la chaleur obtenue à partir du rayonnement solaire dans les centrales solaires à concentration notamment dans le cadre des projets européens CSP2 et Next-CSP [1 – 4]. Dans ce procédé, le rayonnement solaire est concentré sur des tubes verticaux au sein desquels circule un mélange gaz-particules. La compréhension et la maitrise des régimes d’écoulements en jeu, et des transferts thermiques associés, restent actuellement des verrous scientifiques pour le développement de cette technologie. Les couplages entre la dynamique, la thermique, le caractère diphasique de l’écoulement, les effets de parois et les transferts radiatifs rendent la physique particulièrement complexe. Pour mieux comprendre ces couplages, le laboratoire PROMES développe des méthodes numériques fines où les interactions fluide-particules sont explicitement simulées. Le code de calcul haute performance (HPC) TrioCFD basé sur une méthode Front-Tracking a été modifié pour permettre la simulation de particules solides [5]. Il a été utilisé avec succès pour simuler des écoulements de lits fluidisés avec plusieurs milliers de particules (voir figure 1). Cependant, la méthode actuelle ne prend pas en compte les transferts radiatifs.
L’analyse des verrous technologiques liés à l’application solaire identifie comme priorité le développement de la simulation couplée du transport et des transferts de chaleur par conduction et par rayonnement dans les lits fluidisés gaz-solide à haute température. L’enjeu scientifique majeur concerne l’identification du rôle des transferts radiatifs particule-particule et particule-paroi grâce à l’étude de son couplage avec l’hydrodynamique. Ce développement, indispensable pour l’application aux centrales solaires à concentration, n’a encore jamais été réalisé dans le cadre de simulations fines d’écoulement fluide-particule et constitue une ouverture majeure vers le couplage multi-physique.
Travail à réaliser
Trois étapes de travail à réaliser ont été identifiées. La première étape consiste à implémenter les transferts radiatifs entre les parois et les particules ou entre les particules au sein de TrioCFD en utilisant la méthode de Front-Tracking. Cette méthode a l’avantage d’utiliser un maillage surfacique mobile pour suivre l’interface fluide/solide. Ce maillage mobile sera utilisé pour le calcul des transferts radiatifs (voir figure 2). Le milieu gazeux étant considéré comme transparent, les particules comme faiblement réfléchissantes et la diffraction pouvant être négligée, la méthode des radiosités et la méthode de Monte-Carlo seront évaluées pour calculer les flux radiatifs nets échangés par chaque surface élémentaire d’une particule et à chaque pas de temps en suivant leur déplacement [6]. Deux possibilités sont envisagées : implémenter une méthode de résolution des transferts radiatifs (radiosités ou Monte-Carlo) au sein de TrioCFD (couplage online) ou coupler TrioCFD avec un autre logiciel existant pour les calculs des transferts radiatifs (couplage offline). Pour cette deuxième possibilité, le maillage surfacique des particules et la température aux interfaces devront être communiqués au logiciel externe. Sur cette partie du travail, l’encadrement sera renforcé par Cyril Caliot (CNRS, LMAP, UPPA) qui possède une expertise sur les modèles et méthodes de résolution des transferts radiatifs.
La seconde étape du projet consistera à valider les développements réalisés sur des configurations simples. Par exemple en ne considérant que les transferts radiatifs dans des géométries ou les facteurs de forme sont connues.
La troisième étape du projet consiste dans la mise en œuvre des outils de simulation fine sur des configurations simplifiées mais représentatives de l’application aux centrales solaires à concentration pour analyser et quantifier les phénomènes physiques mis en jeux. Les configurations d’écoulements anisothermes prévues sont :
L’écoulement d’un gaz à travers un réseau fixe de particules ;
Un écoulement de type lit-fluidisé gaz-solide à petite échelle.
Les simulations fines seront réalisées avec prise en compte du couplage entre le transport et les transferts thermiques par conduction et par rayonnement entre les particules et les parois.
Sujet de recherche du LABEX SOLSTICE : Simulation et modélisation
Modélisation et simulation numérique en mécanique des fluides et transferts de chaleur dans les récepteurs solaires en utilisant du calcul haute performance (HPC). Modeling and numerical simulations of fluid dynamics and heat transfer in solar receivers using high performance computing (HPC).
Durée et lieu : 1 an, laboratoire PROMES-CNRS, site de Perpignan
Candidature : Envoyer lettre de motivation et CV à
Adrien TOUTANT – 04 68 68 27 09 –
Samuel MER – 04 68 68 22 38 –
Bibliographie
[1] Next-CSP (2020). High Temperature Concentrated Solar Thermal Power Plant with Particle Receiver and Direct Thermal Storage. Available online: http://next-csp.eu/ (accessed on October 2022).
[2] Gueguen R., Sahuquet G., Mer S., Toutant A., Bataille F., Flamant G., Gas-Solid Flow in a Fluidized-Particle Tubular Solar Receiver: Off-Sun Experimental Flow Regimes Characterization, Energies, vol. 14(21), 7392, 2021.
[3] Sahuquet G., Gueguen R., Fontalvo L., Mer S., Toutant A., Bataille F., Flamant G., Particle Flow Heterogeneity in Fluidized-Particles Multitube Solar Receiver, SolarPACES, Albuquerque, USA, 27-30 September, 2022.
[4] Gueguen R., Grange B., Bataille F., Mer S., GUEGUEN R., GRANGE B., BATAILLE F., MER S., FLAMANT, G., 2020, “Shaping High Efficiency, High Temperature Cavity Tubular Solar Central Receivers”, Energies, 13, 4803. DOI: 10.3390/en13184803
[5] Hamidi S., Toutant A., Mer S., Bataille F., “Assessment of a coupled VOF-Front-Tracking/DEM method for simulating fluid-particles flows”, Submitted to International Journal of Multiphase Flows, 2022.
[6] Delatorre, J., Baud, G., Bezian, J.J., Blanco, S., Caliot, C., et al., 2014, “Monte-Carlo advances and concentrated solar applications”, Journal of Advances in Modeling Earth Systems, Vol. 11, Issue 8, pp. 653-681. hal-01625034
Ten PhD positions are available in the TOPCSP doctoral network funded by the Horizon-MSCA DN- 2021 call. The Towards Competitive, Reliable, Safe and Sustainable Concentrated Solar Power (CSP) Plants (TOPCSP) project will offer a unique international, intersectoral and interdisciplinary research and innovation framework to 10 promising doctoral candidates and will boost their excellence in the development of innovative technologies and so that they will be capable of solving the challenges that currently face the solar thermal power industry. The overall research objective of the project is to improve the design of the different systems of a CSP plant to increase its cost- competitiveness, reliability, environmental profile, and operational safety. Core research skills will be acquired by each doctoral candidate through the doctoral-level investigations of the task associated with his/her individual research project. Additional research skills will be delivered in the network-wide workshops, international conferences and training modules. A training in transferable skills, will help the doctoral candidates project their careers towards innovative and hi-tech applications in the non-academic sector. Every doctoral candidate will undertake secondments in academic and non-academic institutions of the consortium institution to develop their intersectoral and interdisciplinary skills.
Specific background of the PhD thesis
One of the concentrated solar technologies currently being developed consists of direct steam generation (DSG) in the solar receiver. This eliminates the need for a HTF, reduces the number of heat exchangers and potentially increases the efficiency of the plant. The steam produced can either drive a turbine to generate electricity or be directly used by an industrial process or a heating network. DSG in the receiver of parabolic trough collectors is proven technology although numerical studies are limited due to the lack of knowledge about the thermo-physical process of two-phase flow boiling in the horizontal and inclined DSG receivers. Current numerical modelling and experimental correlations are limited to specific case studies. At the entrance of the solar field, pressurized water enters the receiver. Under the effect of convective heat exchange between the fluid and the tube wall, water evaporates, and a boiling two-phase flow is created in the receiver. Considering the tube lengths (~ 100m) and the heat fluxes involved (~ 40kW=m2), the vapour volume fraction varies depending on the position in the receiver tube. Reliable prediction of the two-phase flow regime in the receiver is of critical importance for two reasons: (i) predicting the amount of steam produced and, thus, plant production, and (ii) assessing the thermomechanical stresses imposed on the tube materials. CNRS has previous experience modelling these flows using a Euler-Euler approach, showing the ability of the method to reproduce the physics involved in a case of evaporation of a freon in a horizontal coiled tube. In this PhD project this methodology will be applied to a solar receiver.
Objectives and research plan
The candidate, hosted by CNRS, will set up numerical simulations using NEPTUNE_CFD software to model the flow in the DSG plant. The thermal conduction in the walls of the receiver will be considered with Syrthes software. A coupling between the two codes will be implemented to perform massively parallel simulations on European supercomputers. Due to the recent emergence of this type of power plant, experimental operating data, essential for validating numerical tools, are currently unavailable in the literature. The researcher will set up a small-scale experiment, without solar irradiation, to reproduce the physics of boiling flows in a DSG receiver. The experimental data will be compared with the computational results to validate the modelling approach.
Applicant profile : We are looking for candidates with a master degree in fluid mechanics or energetics. Good English speaking/writing/reading skills is required along with a solid knowledge of heat transfer and applied thermodynamics. Given the research program, an appetite for experimental and numerical work is essential. Previous experience in programming would be appreciated but is not required.
Location : PROMES Laboratory – Perpignan, FRANCE. Salary : The base salary is 3043 €/ month gross. A family bonus is also possible depending on the situation of the person recruited Eligibility criteria : Recruited researchers can be of any nationality and must comply with the following mobility rule: they must not have resided or carried out their main activity (work, studies, etc.) in France for more than 12 months in the 36 months immediately before their recruitment date. Compulsory national service, short stays such as holidays and time spent by the researcher as part of a procedure for obtaining refugee status under the Geneva Convention are not taken into account.
Contacts : Samuel Mer – Adrien Toutant –
Application deadline : Applications must be performed before November 1, 2022
Selection process : Candidates must apply on the online platform of CNRS (CNRS) and join the following informations/documents :
Démarrage au plus tard à l’automne 2022 pour une durée de 1 an.
Introduction :
Dans le contexte énergétique actuel, le développement et l’optimisation des procédés de conversion des énergies renouvelables suscite de plus en plus d’engouement. Les technologies solaires concentrés (CSP) s’inscrivent dans ces procédés propres de génération d’énergie. Cette technique consiste à concentrer les rayons du soleil à l’aide de miroir (héliostats) sur un récepteur, pour générer une élévation de température. La chaleur est transférée vers un échangeur de chaleur où de la vapeur est produite pour entraîner une turbine et générer de l’électricité. Une des technologies se développant actuellement consiste à générer directement la vapeur dans le récepteur (GDV) [Dinsenmeyer 2015]. Ceci permet (i) de ne plus utiliser de fluide caloporteur (HTF, souvent onéreux), (ii) de réduire le nombre d’échangeurs de chaleur et (iii) de ne plus utiliser de matériaux «polluants» pour le stockage de la chaleur. La centrale eLLO opérée par SUNCNIM en Cerdagne repose sur cette technologie (voir eLLoTM SUNCNIM). Dans le récepteur, les transferts thermiques convectifs fluide/paroi entraînent l’évaporation du liquide et la création d’un écoulement diphasique dont la fraction volumique varie grandement en fonction de la position dans le tube récepteur. Ce post-doctorat s’inscrit dans une thématique de recherche ayant pour objectif la prédiction des régimes d’écoulement diphasique dans ces récepteurs. Celle-ci est d’une importance capitale pour deux raisons : (i) prévoir la quantité de vapeur produite et donc la production de la centrale, (ii) prédire les contraintes thermomécaniques imposées aux matériaux du tube.
Figure 1 – Evaluation de la convergence en maillage. Haut : représentation instantanée de l’interface pour différente résolution. Bas : Champ stationnaire moyenné de la fraction volumique de vapeur dans une section proche de la sortie du domaine.
Objectifs :
Du fait de l’émergence récente de ce type de centrale, les données expérimentales d’exploitation – indispensables à la validation de l’outil numérique – sont actuellement indisponibles dans la littérature. Les simulations réalisées à ce jour ont validées par confrontation à une étude expérimentale de la littérature, reprenant tous les ingrédients physiques de notre écoulement, d’ébullition de R141b dans un tube horizontal en serpentin [Yang et al 2008]. Ces données ont permis une première évaluation prometteuse de notre approche sur cette configuration simplifiée [Butaye et al 2021]. Celle-ci tire profit des outils développés par l’industrie du nucléaire et notamment le logiciel de simulations NEPTUNE_CFD (voir Neptune_CFD TM EDF). Ce code numérique, utilisant la méthode des volumes finis, est une extension à n phases du modèle à deux fluides initialement développé pour les écoulements dispersés. Des travaux récents ont introduit de nouveaux modèles dans cet outil pour modéliser les écoulements gaz-liquides complexes (stratifiés, poches-bouchons, …). La conduction thermique dans la parois du solide est prise en compte via le logiciel SYRTHES. Des travaux antérieurs ont montrés qu’une résolution à 40 mailles par diamètre permet d’atteindre une convergence en maillage (voir Fig. 1) pour le cas de Yang. Le/la personne recruté.e aura donc pour objectif de faire évoluer le cas de calcul mis en place pour être pleinement représentatif d’un module élémentaire constituant le récepteur solaire mis en oeuvre sur la centrale eLLo. Ce module élémentaire reprend la géométrie du démonstrateur que SUNCNIM a réalisé et opéré à La Seyne-sur-Mer. Des données expérimentales, issue de ce démonstrateur, permettront une évaluation de la démarche. Un paramètre clef de ces simulations réside dans l’estimation du flux incident – résultant de la concentration solaire – sur la paroi du récepteur et représentant la condition au limite de nos calculs. Les travaux de E. Montanet, actuellement en thèse CIFRE SUNCNIM/PROMES sur la modélisation macroscopique de la centrale de Llo, permettront d’alimenter ce volet du travail.
Programme de recherche :
Identification et analyse des mécanismes physiques mis en jeu à travers une étude bibliographique
Mise en place d’un cas de calcul représentatif d’un récepteur solaire GDV
Évaluation du flux thermique incident sur le récepteur
Étude des régimes d’écoulement dans le récepteur et des contraintes thermomécaniques associées dans le solide
Profil du candidat :
Nous recherchons des candidat.e.s ayant effectué un doctorat en mécanique des fluides avec une expertise sur la mise en oeuvre de simulations numériques diphasiques. Une connaissance préalable de NEPTUNE_CFD serait appréciée mais n’est pas nécessaire.
Lieu de stage : Laboratoire PROMES – Site de Perpignan. Rémunération : environ 2000 €/mois indexé sur l’expérience du/de la candidat.e Candidature : Les lettres de candidature devront être accompagnées d’un CV et adressées à Samuel Mer : , Adrien Toutant :
Références :
Butaye E., Mer S., Toutant A. – Euler-Euler multiscale simulations of internal boiling flow with conjugated heat transfer -submitted
Dinsemeyer R., 2015. Étude des écoulements avec changement de phase : application à l’évaporation directe dans les centrales solaires à concentration. Univ. Grenoble – PhD thesis
Mer S., Praud O., Neau H., Merigoux N., Magnaudet J., Roig V., 2018. The emptying of a bottle as a test case for assessing interfacial momentum exchange models for Euler-Euler simulations of multi-scale gas-liquid flows. Int. J. Multiph. Flow 106.
Yang Z., Peng X.F., Ye P., 2008. Numerical and experimental investigation of two phase flow during boiling in a coiled tube. Int. J. Heat Mass Transf. 51.
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
Lieu d’accueil : Laboratoire CNRS-PROMES, Odeillo Font-Romeu (66120)
Durée de travail : Temps plein (5 jours/semaine), sur une durée de 6 mois
Démarrage : A partir de Février / Mars 2022
Gratification : ~ 590 € par mois
Contexte
Dans le domaine des énergies solaires thermiques, la notion de stockage est devenue centrale tant la ressource est variable dans le temps et dans l’espace. De nombreux travaux sont en cours sur le stockage direct de chaleur (thermocline, sels fondus…), mais le stockage sous forme chimique est également une voie prometteuse. Ainsi, il pourrait être avantageux d’exploiter l’énergie solaire pour alimenter des procédés fortement endothermiques comme celui de la gazéification. Cela permettrait de remplacer un mode de chauffage à haute empreinte carbone (combustion de matières premières), et de stocker de manière indirecte l’énergie solaire sous la forme d’un carburant à valeur ajoutée.
Au laboratoire PROMES d’Odeillo, nous étudions un réacteur solaire pour la gazéification de biomasse. Il s’agit d’oxyder des composés carbonés à haute température, afin de produire un gaz de synthèse composé principalement de H2 et de CO. Ce gaz peut alors être valorisé par stockage et combustion, ou bien servir de matière première dans l’industrie chimique pour la synthèse de biocarburants ou d’alcools. Cependant, un procédé solaire seul n’assurera qu’une production intermittente de gaz de synthèse. Nous étudions donc une solution d’hybridation, qui consiste à déclencher une combustion in-situ (en injectant de l’oxygène) pour compenser les baisses d’ensoleillement. Cette solution a été testée expérimentalement à plusieurs reprises*, et une thèse est en cours au laboratoire pour l’optimisation du fonctionnement hybride et la création d’outils de simulation et de contrôle.
* Muroyama et al. (2018), Boujjat et al. (2020), Hathaway et al. (2021), Curcio et al. (2021)
Objectifs
Le stage que nous proposons vise à utiliser un modèle CFD, sous Fluent, pour effectuer une étude paramétrique approfondie du réacteur hybride. Il s’agira de développer un code déjà existant et de l’exploiter pour réaliser une étude de sensibilité sur différents paramètres, comme les débits d’injection de la biomasse, de l’eau et de l’oxygène. Cette étude permettra à terme :
De valider des cinétiques chimiques et des régimes d’écoulement ;
D’optimiser le fonctionnement solaire et hybride du réacteur existant ;
D’alimenter un modèle réduit, exploitable pour extrapoler la technologie
Programme
Une étude bibliographique succincte permettra de se familiariser avec les mécanismes physiques et les cinétiques chimiques en jeu.
Dès les premières semaines du stage, des calculs seront lancés sur le serveur du laboratoire afin de prendre en main le code existant.
Une série de simulations sera dédiée à la validation du modèle, par confrontation avec les résultats expérimentaux à disposition.
L’influence des débits de réactifs sera caractérisée sous différents flux solaires, afin de valider une stratégie d’hybridation performante.
Le stagiaire pourra contribuer à l’élaboration d’un modèle dynamique simplifié sur la base des résultats obtenus, et à son extrapolation à échelle industrielle.
Ce travail fera l’objet d’une publication scientifique
Profil recherché
Etudiant de niveau BAC+5, en Master ou en cursus Ingénieur, avec une spécialité en génie des procédés. Le sujet requérant une bonne maîtrise du logiciel Fluent, le stagiaire devra avoir déjà mené à bien un projet de modélisation CFD dans le cadre de ses études.
Une connaissance élémentaire de l’environnement Linux est demandée.
Enfin, des compétences en langage Python seront appréciées.
Candidature
Merci de bien vouloir adresser une lettre de motivation accompagnée d’un CV à Axel Curcio –
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Date Limite Candidature : vendredi 3 décembre 2021
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