Offres

15 déc. 2020

Sujet de stage de fin d'études : "Etude d'un procédé plasma hybride pour le dépôt de revêtements nanocomposites absorbeurs sélectifs pour les technologies de récepteurs de centrales solaires thermodynamiques sous concentration"


Contexte: Face à la situation énergétique et environnementale actuelle, les technologies de conversion de l'énergie solaire (thermique avec concentration combinée à un cycle thermodynamique [CSP], photovoltaïque [PV]) voient leur part croître fortement dans le mix énergétique mondial. Certains scénarios, concernant le développement industriel des technologies CSP prévoient que 7% de l'énergie électrique mondiale sera fournie par le CSP en 2030, avec une part devant croître jusqu'à 25% en 2050. SolarPACES, l'association européenne ESTELA et Greenpeace, évaluent cette contribution entre 8 et 12%, ce qui correspondra à une capacité de plus de 830 GW et le déploiement de 41 GW par an (Fig.1). Le développement de nouveaux projets CSP (Chine [1,35 GWélectriques-20 projets], Chili [240 MW], Afrique du Sud [100 MW]...), est accompagné d'une baisse des offres de tarifs de l'électricité produite (#9,45 $c/kWh: ACWA Power-Arabie Saoudite, Shanghai Electric-Chine, Brightsource-USA), ce qui devient concurrentiel du PV. En France, ces technologies se développent au travers de démonstrateurs industriels, avec par exemple, la centrale eLlo, première centrale à concentrateurs linéaire Fresnel située dans les Pyrénées Orientales, construite et exploitée par la société SunCNIM à proximité du laboratoire PROMES (9MWélectrique, soit la consommation de 6000 foyers cerdans). Ce site est destiné à éprouver une technologie CSP française pour le territoire et le marché international. De plus, la production de vapeur pour l'industrie (société Newheat), associées au stockage de chaleur industrielle (EcotechCeram), sont des voies de développement de la filière CSP en France. Permettant à grande échelle le stockage de l'énergie sous forme thermique, le CSP fait face à l'intermittence solaire. Le rendement d'une centrale CSP dépend du niveau de concentration du flux solaire (choix de la technologie) et de la température opératoire induite (Tab.1). On cherche à augmenter les températures des fluides caloporteurs et à abaisser les coûts des récepteurs dont la surface convertit en chaleur le flux solaire concentré. Leur surface doit présenter une forte absorptivité dans l'UV-Visible et Proche infrarouge (Fig.2) grâce à un revêtement à fort pouvoir absorbant. La chaleur transférée au fluide est néanmoins en partie perdue par réémission de rayonnement infrarouge si on utilise des peintures absorbantes classiques de type Pyromark®. Pour remédier à cela, l'industrie développe des revêtements thermo-optiques spectralement sélectifs maximisant l'absorption solaire tout en minimisant les pertes thermiques radiatives (réflectance faible dans la région solaire du spectre (0,25 - 2,5 μm) et élevée dans l’infrarouge (> 2,5 μm)).

Capture d’écran 2020-12-15 à 15.23.43

La sélectivité spectrale est à mettre en regard de l'émission "corps noir" qui dépend de la température en se rapprochant du visible lorsque celle-ci augmente: la sélectivité spectrale reste néanmoins possible jusqu'à environ 700°C. Le champ solaire représentant le premier poste de perte (jusqu'à 50%) dans une centrale CSP, les revêtements solaires sont complexes: multicouches constituées au mieux d'un film antireflet (revêtement terminal), d'un dépôt absorbeur, d'une sous-couche réfléchissant l'infrarouge. Face à cette nécessaire complexité, les technologies voies sèches plasma (PACVD et PVD), satisfaisant les directives européennes REACH, sont à privilégier. Des solutions sont déjà déployées industriellement pour les centrales solaires à récepteurs cylindro-paraboliques, mais les matériaux déposés se dégradent à haute température à l'air, d'où leur protection sous vide par des tubes en verre et des connectiques complexes (coûts élevés). Des matériaux de type Cermets (Céramique-Métal) peuvent être employés pour les hautes températures, et au-delà, des revêtements nanocomposites (nano-cermets) doivent satisfaire toutes les fonctions (optique, thermomécanique, tenue à l'oxydation à chaud). Face à la nécessité de réaliser les revêtements sur pièces de forme (typiquement tubes), que ce soit par PVD ou PACVD, à des vitesses de dépôt compatibles avec l'abaissement des coûts de production, certaines sources d'assistance plasma - de type modulaires alimentées à très hautes fréquences - sont adaptées au transfert industriel.

Cadre partenarial: Le projet multipartenaires NANOPLAST, financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR), vise au "développement de matériaux nanocomposites multifonctionnels innovants: multi-couches, spectralement sélectifs, à haut rendement de conversion héliothermique, résistants à haute température à l'air (500 < T < 700 °C) et aux contraintes thermomécaniques, élaborés par technologies plasma versatiles PACVD et PVD haute densité (fortes vitesses de dépôt)". Ce projet regroupe les partenaires PROMES (Perpignan-Odeillo : coordinateur)/ICCF (CNRS Clermont- Ferrand)/IMN (CNRS Nantes)/CEMHTI (CNRS Orléans)/ IREIS-HEF (Industriel, St Etienne). Pour le projet, PROMES est élaborateur de revêtements nano-composites absorbeurs sélectifs. Il développe un réacteur innovant de dépôt par plasma et dispose de moyens de caractérisation des performances thermo-optiques des revêtements. Les nombreuses caractérisations nécessaires à la description et l'optimisation des matériaux se font en collaboration avec les partenaires du projet débuté fin 2019.

Capture d’écran 2020-12-15 à 15.23.55

Objectifs du travail de stage et description des tâches à réaliser: Les premiers résultats (thèses de D.Ngoue [fin], A.Diop [en cours]) ont montré que des films nanocomposites, constitués d'une matrice de type SiC:H incluant des particules métalliques (dont le Tungstène) sont de bons candidats pour l'application solaire visée. Une faisabilité de dépôt de tels matériaux a été réalisée. Néanmoins, une meilleure compréhension/caractérisation du procédé plasma (PVD Réactive assistée par excitations Radiofréquence et Micro-onde couplées ) et des relations entre structures et performances des revêtements est encore nécessaire.

Le stage de 6 mois intègrera les tâches suivantes:
- Tâche 1: mois 0 à 2. Bibliographie (plasma/poudres/nanocomposites). Prise en main du réacteur de dépôts et des équipements y afférents. Premières expérimentations.
- Tâche 2: mois 2 et 3. diagnostics optiques et électriques sur le procédé dans le but d'affiner la compréhension des régimes de fonctionnement et des phénomènes physico-chimiques du plasma; analyse des résultats.
- Tâche 3: mois 3 à 5. Elaboration de revêtements dans les différents régimes de fonctionnement identifiés en Tâche 2. Lancement/Réalisation/Suivi des circuits de caractérisation (en local et inter- partenaires: ellipsométrie, réflectométrie, morphologie et composition [MEB/MET/EDS/XPS/RBS/ DRX...], vieillissement) et premières analyses des résultats.

- Tâche 4: mois 6. Synthèse des résultats, rapport final.

Encadrement :

Aïssatou Diop (Perpignan-Responsable du stage, doctorante PROMES/ICCF, localisée à PROMES durant la période du stage)
assistée de Danielle Ngoue, Sébastien Quoizola, Audrey Soum-Glaude, Laurent Thomas

Contact : Laurent Thomas (), Aïssatou Diop ()
Base : PROMES-site de Perpignan, déplacements vers Odeillo et inter-partenaires NANOPLAST
Période : février-fin juillet 2021
Gratifications : Oui (selon réglementation CNRS)

Possibilité de thèse après stage : envisagée, non assurée. En cours de discussion interne.