La compréhension du vieillissement et de l’endommagement de matériaux destinés à la fabrication des récepteurs solaires est un enjeu dans le cadre de la conception et de la maintenance des centrales à concentration. L’objectif principal de cette thèse est de détecter l’apparition de défauts mécaniques sur des récepteurs CSP avant qu’une éventuelle rupture ne se produise et mette en péril l’intégralité de la centrale.
Catégorie : Emplois
Niveau : Formation BAC+5 (Master ou Ingénieur)
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).
Niveau : Formation BAC+5 (Master ou Ingénieur)
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).
Niveau : Formation BAC+5 (Master ou Ingénieur)
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).
Niveau : Formation BAC+5 (Master ou Ingénieur)
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.
Niveau : Formation BAC+5 (Master ou Ingénieur)
Contexte
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
Niveau : Formation BAC+5 (Master ou Ingénieur)
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
Présentation du sujet
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
- Dimensionnement d’une installation solaire.
Mots-clés
Mécanique des fluides numérique, Thermique, Ecoulement diphasique fluide – particules, Front-Tracking, Simulation Numérique Directe
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.
Contexte
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 –
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