Le solaire à concentration comme brique élémentaire dune société pérenne ? ~ Réduction directe doxyde de fer par lhydrogène et lammoniac et analyse de cycle de vie dune parabole solaire pour la transformation alimentaire.
Auteur / Autrice : | Bastien Sanglard | |
Direction : | Julian Carrey, Sébastien Lachaize | |
Type : | Projet de thèse | |
Discipline(s) : | Sciences et Génie des Matériaux | |
Date : | Inscription en doctorat le | Soutenance le 08/12/2023 |
Etablissement(s) : | Toulouse, INSA | |
Ecole(s) doctorale(s) : | SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse | |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : LPCNO - Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets | |
Jury : | Président / Présidente : Mathieu Spérandio | |
Examinateurs / Examinatrices : Julian Carrey, Sébastien Lachaize, Michel Perez, Natacha Gondran, Régis Olives | ||
Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Perez, Natacha Gondran |
Mots clés
Résumé
Limpact de lhumain sur lenvironnement nest plus à prouver : les activités humaines étant majoritairement basées sur lutilisation de ressources fossiles et minérales, de grandes quantités de gaz à effet de serre sont rejetées dans latmosphère, ainsi que des substances toxiques pour les écosystèmes et les êtres vivants. Les émissions anthropogéniques sont dues à de nombreux secteurs qui, pour certains, nécessitent de lénergie thermique. Cette dernière est par exemple utilisée pour la production délectricité ou pour des procédés industriels et agro-alimentaires. Afin de réduire ces émissions, il est donc important de se pencher sur la question de lénergie thermique durable. Le solaire à concentration est une technique basée sur une énergie renouvelable et disponible sur la totalité du globe. Le principe est de concentrer les rayons du soleil sur une ligne, un point ou dans un volume. Ceci permet une large gamme de températures allant denviron 100°C à plus de 2000 °C, ce qui en fait une source de chaleur potentielle pour un grand nombre de procédés thermiques. La question se pose donc de savoir dans quelle mesure le solaire à concentration peut faire partie des briques techniques élémentaires dune société durable. Ce travail a pour but dapporter des éléments de réponse à cette question grâce à une approche par deux angles : i) limpact écologique dun procédé solaire basse-température (la cuisson) grâce à lanalyse de cycle de vie et ii) la faisabilité dun procédé haute-température (la réduction de minerai de fer) sous flux lumineux concentré. Nos études basées sur la montée en température de 2 L deau montrent que les cuiseurs solaires paraboliques offrent un réel avantage écologique comparés aux appareils de cuisson conventionnels, notamment grâce à labsence dimpact pendant lutilisation. Nos résultats détaillent la contribution de chaque phase du cycle de vie ainsi que la contribution respective des procédés de production des appareils et de lénergie utilisée. Létude a pris en compte différent matériaux de construction des cuiseurs solaires ainsi que différents scénarios dutilisation des appareils. Linfluence de lintensité carbone du mix électrique pour lutilisation des appareils électriques est aussi analysée. Dans un second temps, nos expérimentations de réduction directe de pellets de minerai de fer sous hydrogène et ammoniac montrent que ce procédé thermochimique à haute température est réalisable grâce au solaire à concentration. En effet, des taux de réduction de 96% sont atteint en 12 et 16 min sous hydrogène et ammoniac respectivement, ce qui respecte les exigences de lindustrie. Par ailleurs, comme lirradiation solaire est orientée, le passage dun pellet à un disque extrait de ce dernier permet une distribution plus efficace de la chaleur et améliore ainsi la vitesse de réduction. Les impacts environnementaux de ce procédé ne sont pas calculés ici et il sagit dune perspective importante de ce travail. Nous montrons que la parabole solaire nécessite pour sa construction une plus grande quantité de matière première que les autres appareils. Néanmoins, une fois toutes les phases du cycle de vie considérées, limpact induit à la construction est largement compensé grâce à lutilisation directe de lénergie solaire. Nous avons montré que le solaire à concentration est tout aussi performant pour un procédé à haute température, comme la réduction de minerai de fer. Pour autant, il est nécessaire dévaluer dans ce cas aussi les impacts de la construction dunités de production de ce nouveau genre. Il est donc important de réfléchir en termes de cycle de vie pour évaluer sa réelle plus-value écologique De plus, son intermittence et sa spécificité impliquent un changement dhabitudes sociétales, et notamment datteindre un certain niveau de sobriété.