Qualification de nouveaux matériaux UHTC pour récepteur solaire à haute température

Le rendement d’une centrale solaire à concentration dépend essentiellement du comportement à haute température du récepteur chargé de transmettre la chaleur produite par absorption du rayonnement solaire concentré au fluide caloporteur. Pour les systèmes utilisant l’air comme gaz caloporteur, ce gaz ne peut pas sortir du récepteur à plus de 1100 K à cause de la dégradation des propriétés thermiques des matériaux actuellement utilisés (alliages métalliques, SiC) en conditions extrêmes (haute température, atmosphère oxydante). De ce fait il faut utiliser dans les systèmes hybrides actuels une source complémentaire d’énergie fossile (ou de biomasse) en sortie de récepteur pour terminer le chauffage du fluide jusqu’à plus de 1300 K et de ce fait assurer une conversion suffisamment importante d’énergie solaire incidente en énergie électrique pour rentabiliser la technologie. La conception de nouveaux récepteurs très haute température en céramique devrait permettre de porter le gaz caloporteur (air) à plus de 1300 K directement en sortie de récepteur, et donc d’éviter l’utilisation d’une source complémentaire d’énergie. Le développement de tels récepteurs permettrait donc de concevoir des centrales solaires plus propres (rejet minimal de gaz à effet de serre) et plus efficaces (réduction de la distance entre récepteur et turbine, donc plus faible perte thermique sur le trajet du caloporteur).

Les matériaux UHTC sont, de part leur point de fusion élevé (>3500 K), particulièrement adaptés pour la conception de ces nouveaux récepteurs solaires à très haute température. Ces matériaux ont connu un regain d’intérêt ces dernières années comme en témoigne l’accroissement important du nombre de publications concernant les 4 céramiques les plus étudiées : ZrC, ZrB2, HfC, HfB2. Les études sur le comportement d’UHTC soumis à des conditions extrêmes couplées (T > 2000 K, atmosphère réactive…) sont extrêmement rares et le laboratoire PROMES est le seul laboratoire au monde à disposer sur le site d’Odeillo d’installations solaires permettant de porter des matériaux à très haute température sous des atmosphères de composition contrôlée. Ces installations ainsi que la proximité de la centrale expérimentale THEMIS en font le lieu adéquat pour concevoir les récepteurs solaires du futur.

L’objectif principal de ce thème de recherche est d’étudier et d’optimiser des matériaux capables de résister dans de telles conditions extrêmes (haute température, atmosphère oxydante, cyclage thermique, choc thermique) rencontrées au niveau des récepteurs solaires. Ces matériaux doivent présenter une cinétique d’oxydation lente, une bonne résistance au cyclage (succession de montées rapides en température) et un maintien de leurs propriétés thermiques malgré les effets du vieillissement : forte absorption du rayonnement solaire, faible émissivité, forte conductivité thermique.

Le Réacteur Hautes Pression et Température Solaire (REHPTS, fig. 1) installé au foyer du four solaire de 5 kW a été développé pour mener des études sur l’oxydation de céramiques jusqu’à 2500 K sous atmosphère contrôlée. Ce réacteur est équipé d’un système de mesure de température par pyromètre optique et d’un spectromètre de masse analysant la composition de la phase gazeuse.  Des simulations numériques de l’écoulement et de la réactivité chimique sont effectuées à l’aide du code Ansys-Fluent (fig. 2). Ce réacteur a permis de tester des céramiques sous différentes atmosphères (hélium, azote, air). Les figures 3 et 4 montrent l’état in situ d’échantillons frittés de ZrC-MoSi2 (fig.3) et de SiC (fig. 4) lors d’essais d’oxydation sous air à 2000 K, au bout de 15 minutes de traitement. On observe la formation d’une bulle importante de silice (liée à la formation de CO gazeux à l’interface) à la surface du matériau SiC et une importante déformation mécanique alors que le matériau ZrC/MoSi2 est plus faiblement oxydé, conserve son intégrité et se présente ainsi comme un bien meilleur candidat pour l’élaboration de futurs récepteurs solaires à haute température.

Contact : Ludovic Charpentier, Marianne Balat-Pichelin