Concentrée, l’énergie solaire permet d’alimenter en chaleur décarbonée des fours industriels à haute température. Une équipe de Nantes travaille à la conception d’une nouvelle génération de convertisseurs à la fois efficace et résistante.

Pour résister à mille degrés, les composants de systèmes industriels lourds ont besoin d’être soigneusement conçus. Benoît Rousseau est directeur de recherche CNRS au Laboratoire de thermique et énergie de Nantes1, où il étudie le transfert radiatif dans des matériaux hétérogènes. Ce transfert radiatif permet le transport d’énergie via le rayonnement thermique, un phénomène que l’on retrouve notamment dans les systèmes énergétiques à hautes températures comme les fours verriers, les chambres de combustion des moteurs d’avions, ou au cœur de l’échauffement des navettes spatiales lors de leur rentrée atmosphérique.

« Dans ces travaux, j’explore notamment la conversion de l’énergie solaire en chaleur dans des tours solaires, où l’on concentre le rayonnement du soleil à l’aide de miroirs, explique Benoît Rousseau. L’air frais monte et passe de vingt à mille degrés, produisant ainsi de la chaleur décarbonée. Il y a un intérêt croissant de la part d’entreprises industrielles européennes, de suivre le développement d’unités de grande capacité, comme cela peut être le cas pour la production de ciment ou de carburant solaire. »

Le rôle central du convertisseur

Le chercheur et son équipe travaillent en particulier sur le convertisseur, la partie qui absorbe le rayonnement solaire incident, puis chauffe l’air. Ce composant poreux doit fonctionner en minimisant les pertes de chaleur, en offrant les meilleurs rendements de conversion possibles et en étant mécaniquement résistant pour ne pas casser sous les changements répétés de température.

Pour y parvenir, Augustin de la Vauvre, doctorant travaillant avec Benoit Rousseau et son collègue Yann Favennec, optimise la topologie du convertisseur, c’est-à-dire qu’il cherche à lui donner une géométrie garantissant une production efficace de chaleur. Cela aboutit à un gradient de porosité, qui se réduit au fil du parcours de l’air dans le matériau. Ce gradient a été précisément calculé dans le cadre de travaux communs avec Laurent Cangémi, de l’IFP Énergies nouvelles (IFPEN), co-directeur de la thèse. Il s’agit notamment de minimiser les différences de température entre les faces d’entrée, plutôt froides, et celles de sortie qui sont chaudes, car cela forme sinon d’importants gradients thermiques susceptibles de générer des casses mécaniques.

Une fabrication à Limoges

Cette génération de la géométrie 3D du convertisseur s’appuie au départ sur un jeu d’équations où l’on cherche à obtenir une solution optimale. Dans ces travaux, l’écoulement de l’air, le transport de rayonnement solaire et la réémission du rayonnement thermique sont modélisés à l’échelle continue ou le lien avec la géométrie 3D est donné via des grandeurs thermo-physiques homogénéisées. 

Les convertisseurs ainsi conçus doivent être ensuite fabriqués à l’Institut de recherche sur les céramiques2, où travaillent des experts qui développent de nouveaux procédés de mise en forme basés sur l’utilisation de polymères précéramiques. Enfin, des chercheurs de l’Institut de recherche en génie civil et mécanique3 effectuent des calculs au sein même des céramiques 3D numérisées afin de mieux comprendre leur comportement thermomécanique en température puis voir les conditions thermiques critiques permettant d’éviter leur fissuration. 

Le choix du carbure de silicium

« Car pour tenir à mille degrés, il faut des matériaux céramiques réfractaires très spéciaux, déclare Benoît Rousseau. Nous avons fait le choix du carbure de silicium pour son bon comportement thermomécanique et sa capacité à absorber le rayonnement solaire. Nous avons testé d’autres candidats, comme l’alumine, mais elle doit être noircie pour perdre sa transparence aux rayonnements solaires et est plus fragile. Le matériau reçoit un énorme flux radiatif, de l’ordre du mégawatt par mètre carré, il doit pouvoir y résister sans se rompre. »

Les chercheurs ont commencé à mettre en place un banc d’essai équipé d’une lampe au xénon qui atteint justement le mégawatt par mètre carré. Un laser de deux kilowatts est également utilisé. Les essais ont pour l’instant surtout eu lieu sur des céramiques denses, plus faciles à étudier que les versions poreuses. « On essaye de se faire la main sur les céramiques denses avant de passer aux autres plus complexes », explique Benoît Rousseau.

Plusieurs procédés de fabrication

Avant d’être testés au laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (PROMES) du CNRS, les convertisseurs sont obtenus via des procédés de fabrication additive de pièces céramiques. Un des procédés, basé sur la fusion de filaments de polymères précéramiques, requiert des développements pour réaliser les formes géométriques complexes définies par le calcul. Une autre méthode, développée à l’Institut de génie mécanique et de technologie des matériaux de Lugano en Suisse part de l’étalement d’une poudre et projette un liant pour construire, couche par couche, la pièce voulue. Elle est ensuite renforcée par infiltration de silicium liquide à chaud qui améliore ensuite sa tenue mécanique.

Ces travaux ont permis de développer des outils numériques pour agencer la matière en fonction d’un cahier des charges thermique, de nouveaux procédés de fabrication et des bancs d’essai adaptés. Les chercheurs de Limoges sont ainsi parvenus à synthétiser du carbure de silicium sans frittage, c’est-à-dire sans utiliser de poudre chauffée à très haute température, permettant de baisser la température de fabrication du matériau de 2000 à 1500 degrés.

« Nous sommes encore en attente de confirmation de certains résultats, mais nous avons su inscrire notre projet en lien avec les besoins des industriels, se réjouit Benoît Rousseau. ArcelorMittal, Saint-Gobain et TotalEnergies sont par exemple intéressés par le développement de convertisseurs électrothermiques à base de carbure de silicium à géométrie plus simple pour décarboner les grands fours industriels, sujet sur lequel nous avons déposé un projet européen. Je regarde aussi du côté de la conversion à haute température des énergies renouvelables comme le développement de brûleurs poreux pour la combustion de l’hydrogène et de l’ammoniaque ou encore la production de carburants solaires. » De quoi contribuer à décarboner l’industrie lourde avec des matériaux adaptés.

Développement de nouveaux convertisseurs pour l'énergie solaire concentrée @ LTeN-CNRS-IFPEN 

*****

Ces recherches ont été financées en tout ou partie par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet « Optimisation topologique d’architectures 3D à base de SiC pour la génération efficace de chaleur à haute température dominée par les transferts radiatifs – ORCHESTRA ». Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société - Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2022 (SAPS-CSTI-JCJC et PRC AAPG 2022).