Le solaire à concentration comme brique élémentaire d’une société pérenne ? ~ Réduction directe d’oxyde de fer par l’hydrogène et l’ammoniac et analyse de cycle de vie d’une parabole solaire pour la transformation alimentaire.

Concentrated solar power as a building block of a sustainable society? ~ Direct reduction of iron oxide by hydrogen and ammonia and life cycle analysis of a solar dish for food processing.

• Auteur / Autrice : Bastien Sanglard
• Direction : Julian Carrey, Sébastien Lachaize
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• 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
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julian Carrey, Sébastien Lachaize, Michel Perez, Natacha Gondran, Régis Olives
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Perez, Natacha Gondran

Mots clés

Mots clés libres

Reduction directe du fer

Analyse de cycle de vie

Solaire à concetration

Hydrogène

Ammoniac

Tranformation alimetentaire

Concentrated Solar Power

Direct redcution of iron

Life cycle assessment

Hydrogen

Ammonia

Food processing

Résumé

L’impact de l’humain sur l’environnement n’est plus à prouver : les activités humaines étant majoritairement basées sur l’utilisation de ressources fossiles et minérales, de grandes quantités de gaz à effet de serre sont rejetées dans l’atmosphère, 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 l’énergie thermique. Cette dernière est par exemple utilisée pour la production d’électricité ou pour des procédés industriels et agro-alimentaires. Afin de réduire ces émissions, il est donc important de se pencher sur la question de l’énergie 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 d’environ 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 d’une société durable. Ce travail a pour but d’apporter des éléments de réponse à cette question grâce à une approche par deux angles : i) l’impact écologique d’un procédé solaire basse-température (la cuisson) grâce à l’analyse de cycle de vie et ii) la faisabilité d’un procédé haute-température (la réduction de minerai de fer) sous flux lumineux concentré. Nos études basées sur la montée en température de 2 L d’eau montrent que les cuiseurs solaires paraboliques offrent un réel avantage écologique comparés aux appareils de cuisson conventionnels, notamment grâce à l’absence d’impact pendant l’utilisation. 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 l’énergie utilisée. L’étude a pris en compte différent matériaux de construction des cuiseurs solaires ainsi que différents scénarios d’utilisation des appareils. L’influence de l’intensité carbone du mix électrique pour l’utilisation 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 l’industrie. Par ailleurs, comme l’irradiation solaire est orientée, le passage d’un 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 s’agit d’une 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, l’impact induit à la construction est largement compensé grâce à l’utilisation directe de l’énergie 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 d’évaluer dans ce cas aussi les impacts de la construction d’unités 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 d’habitudes sociétales, et notamment d’atteindre un certain niveau de sobriété.

The human influence on the environment is no longer to prove: as human activities are mostly based on fossil and mineral resources; large amounts of greenhouse gases are emitted as well as toxic substances for ecosystem and living being. The anthropogenic emissions come from many industries which, for some part, use thermal energy. The latter is used in the electricity production or for industrial and agri-food processes as examples. In order to lower the corresponding emissions, it is important to consider the issue of sustainable thermal energy. The concentrated solar power is based on the concentration of solar irradiation on a point, a line or in a volume. This allows to reach operating temperature ranging from around 100 °C to more than 2000 °C, which makes it a potential heat source for many thermal processes. The question about its place as an elementary building block of a sustainable society therefore needs to be tackled. This works aims to give elements of answer by approaching the concentrated solar power from two angles: i) the ecological impact of low temperature solar based process (cooking) and ii) the feasibility of high temperature process (the direct reduction of iron ore) under a concentrated light flux. We performed life cycle assessments of 4 different cooking appliances. It showed that the solar parabolic cooker has a real ecological advantage in comparison with conventionnel cooking appliances notably because of the absence of impact during the use phase. The results give details about the contribution of each phase of the life cycle and of all the manufacturing and energy processes and energy. Our study considered several building materials for the solar cooker as well as different using scenarios of the devices, including the influence of the carbon grid intensity. Secondly, our experiments of direct reduction of iron ore under hydrogen and ammonia showed that this high temperature thermochemical process is possible using solar concentrated power. Indeed, high reduction rates of 96% were achieved in 12 and 16 minutes with hydrogen and ammonia respectively, which meets the requirement for the ironmaking and steel making industry. Moreover, as the light flux is oriented, a change from a pellet to a flat disk allows a more efficient heat propagation and thus a faster reduction rate. The environmental impacts of this process are not calculated here but constitutes an important perspective of this work. We have shown that the solar parabolic device needs more manufacturing resources than the other apparels. Nonetheless, when all the phases of the life cycle are considered, the impacts of the manufacturing phase are largely offset by the direct use of solar energy. We have shown that the concentrated solar power is perfectly suitable for a high temperatures process as the direct reduction of iron ore. Given the expected manufacturing resources required to build a solar concentrator dedicated to high temperature processes, the calculation of the ecological impact of such an iron production will be necessary. Additionally, its intermittent nature and its specificity may require a change of the social habits, for example by achieving a certain level of sobriety in order to fulfil the demand.