Introduction 23
Le dihydrogène (dénommé hydrogène dans la suite du rapport) est la molécule la plus petite, la plus simple et la plus abondante dans notre univers (90% de la masse visible). C’est en effet le constituant principal des étoiles, le combustible pour leurs réactions thermonucléaires libérant de grandes quantités d’énergie et la matière première utilisée pour la création des autres éléments et molécules au sein des étoiles et super novae.
Pourtant, cette molécule est quasiment inexistante dans l’atmosphère terrestre. La densité de ce gaz était trop faible pour que la force de gravitation de la Terre puisse le retenir lors de la formation du système solaire. Il n’existe donc aucune source d’approvisionnement naturel d’hydrogène. Cependant, on retrouve cet atome dans bon nombre de molécules telles que l’eau, le gaz naturel ou encore le pétrole.
Les chimistes ont rapidement eu besoin de cette molécule de dihydrogène pour son caractère réducteur (raffineries) ou en tant que réactif (synthèse de l’ammoniac et du méthanol). Afin de répondre aux demandes du secteur de la chimie qui sont de l’ordre de 500 milliards de Nm3/an, cette molécule est actuellement synthétisée à partir de charbon (gazeification), de méthane (vaporeformage) ou d’autres hydrocarbures ou de matière organique (biomasse).
Ces sources dites « sources fossiles carbonées » ont été exploitées intensivement au cours du XXème siècle. En plus de l’hydrogène, elles ont fourni de l’électricité avec les centrales thermiques, de la chaleur pour le chauffage des habitations et de l’énergie mécanique pour les transports grâce au moteur à explosion.
Du fait de leur caractère « fossile », ces sources affichent un temps de régénération considérable (des millions d’années) bien supérieur à leur temps d’utilisation. L’épuisement de ces ressources, annoncé pour les années 2100, est donc inévitable. Le second problème est environnemental et réside dans le terme « carboné ». Le carbone contenu dans ces molécules est rejeté dans l’atmosphère sous forme de CO2, principal responsable du réchauffement global de la planète. Les émissions de gaz à effet de serre sont réglementées par le protocole de Kyoto que la France a ratifié en 2000.
Comme la production d’électricité est essentiellement nucléaire en France, la majeure partie des émissions de CO2 provient du secteur des transports où la dépendance à l’égard du pétrole est toujours forte (96% de l’énergie utilisée). Or, pour les applications mobiles, l’hydrogène converti en électricité par une pile à combustible peut devenir un concurrent sérieux et une solution moins polluante. Si une énergie renouvelable (solaire, éolien…) est utilisée lors de sa production, l’hydrogène apporte une indépendance énergétique aux Etats, éliminant les fluctuations de prix dues aux pressions exercées par quelques producteurs (crises pétrolières).
L’hydrogène constitue un très bon vecteur d’énergie puisque la molécule a le plus grand pouvoir énergétique (285,83 kJ.mol-1). Ce composé très souple est capable de produire de la chaleur ou de l’énergie électrique dans une pile à combustible avec un très bon rendement. Son utilisation est déjà envisagée dans des véhicules hybrides, du matériel portable (informatique) ou encore des applications stationnaires de grande taille. Cependant la
« filière Hydrogène » se heurte encore à de nombreux obstacles dont celui d’une production massive, à faible coût et respectueuse de l’environnement. Le principe des cycles thermochimiques de dissociation de l’eau qui répond favorablement à ces critères a été la voie retenue et étudiée au cours de ce travail de thèse.
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Cette thèse a pour principaux objectifs l’identification, le test et l’évaluation de nouveaux cycles thermochimiques capables de produire efficacement de l’hydrogène à partir d’énergie solaire concentrée. Le but est de proposer une voie de production d’hydrogène présentant un rendement énergétique global comparable à l’électrolyse, soit environ 20-25%, qui est le procédé actuellement le plus avancé pour une production propre d’hydrogène à partir de l’eau.
Après un chapitre consacré à l’état de l’art présentant les recherches passées et présentes sur les cycles thermochimiques, la première phase de l’étude a porté sur la sélection d’un nombre restreint de cycles thermochimiques capables de produire de grandes quantités d’hydrogène à partir d’énergie solaire concentrée. Cela comprend un recensement des cycles thermochimiques présents dans la littérature, une première sélection à partir de critères argumentés, et une analyse exergétique et thermodynamique des cycles retenus pour une première évaluation de leur potentiel.
L’étude expérimentale de toutes les réactions chimiques mises en jeu dans les cycles retenus constitue la deuxième phase de l’étude découpée en deux chapitres correspondant à deux familles de cycles oxydes différentes. Les objectifs sont de démontrer la faisabilité des réactions, d’identifier les conditions opératoires optimales, d’évaluer et optimiser les cinétiques et les rendements chimiques.
Le chapitre suivant est focalisé sur la conception, la modélisation et le test d’un réacteur solaire, le point clé du procédé de conversion d’énergie. Une modélisation CFD d’un réacteur de type cavité à haute température permet d’identifier les principales pertes thermiques du réacteur et d’optimiser la géométrie de la cavité. Une modélisation dynamique du réacteur fournit des informations sur son comportement en régime transitoire et sous un flux solaire réel. Les résultats des tests expérimentaux préliminaires sont présentés.
La dernière partie de l’étude est consacrée à une analyse procédé des cycles thermochimiques à partir des résultats de l’étude expérimentale (conditions opératoires, rendements…). Les bilans matière et énergie sont établis afin d’évaluer les rendements énergétiques globaux de conversion énergie solaire/hydrogène et les quantités d’hydrogène produites par un procédé solaire de type centrale à tour. Un dimensionnement du procédé et de l’installation solaire est réalisé afin d’évaluer par une étude économique, le coût de production de l’hydrogène par ces cycles thermochimiques couplés à une source d’énergie solaire concentrée.