Soutenance publique de thèse de doctorat de l'ETSi

 

Date : vendredi 7 juillet 2023.

Heure : 10h00

Lieu : Salle du professeur Juan Larrañeta, École supérieure technique d'ingénierie de l'Université de Séville.

Le doctorant Andrés Carro Paulete soutiendra publiquement sa thèse de doctorat intitulée « Mécanismes d'endommagement et de rupture sous fatigue dans les composites à fibres longues à plis ultra-minces », dirigée par les professeurs Ricardo Chacartegui Ramírez du département de génie énergétique de l'École supérieure technique d'ingénierie de l'Université de Séville et Carlos Ortiz Domínguezdu département d'ingénierie de l'Université Loyola. 

Nous sommes actuellement en pleine transition énergétique mondiale, visant à remplacer les sources d'énergie conventionnelles (gaz, pétrole, charbon) par une production 100 % renouvelable. Soutenue par la réduction des émissions de gaz à effet de serre pour atténuer les effets du changement climatique, l'utilisation prédominante des énergies renouvelables s'impose comme un facteur clé du développement du marché, de l'indépendance énergétique et de la durabilité. Les ressources renouvelables ont une nature stochastique et intermittente, ce qui peut impacter négativement la qualité de l'énergie et la stabilité du réseau. Le stockage de l'énergie, qui permet de pallier le décalage quotidien et saisonnier entre la disponibilité des ressources renouvelables et la demande énergétique, est essentiel pour améliorer la flexibilité des systèmes énergétiques basés sur une production 100 % renouvelable. Le développement de nouveaux systèmes de stockage d'énergie à grande échelle, hautement efficaces et économiques, utilisant des matériaux peu coûteux et ayant un impact environnemental minimal, est nécessaire pour exploiter pleinement les ressources renouvelables.

Cette thèse porte sur l'étude de différentes technologies de stockage d'énergie thermique à grande échelle, susceptibles d'avoir un impact à divers niveaux de température et de développement. Son objectif est de contribuer à l'avancement de solutions de stockage d'énergie nouvelles, hautement efficaces et respectueuses de l'environnement, intégrables aux grandes centrales électriques et facilitant l'intégration des énergies renouvelables. L'étude couvre l'ensemble du processus, de la formulation initiale du concept à son développement au niveau de la modélisation, avec un appui expérimental. La recherche se concentre sur trois technologies de stockage d'énergie thermique prometteuses, classées par niveau de température. La contribution à la recherche est divisée en trois chapitres, chacun consacré à un niveau de température spécifique.

Le système de stockage d'énergie électrothermique utilisant des cycles transcritiques au dioxyde de carbone (CO2) comme technologie de stockage d'énergie thermique à basse température, au sein du domaine plus vaste des systèmes d'énergie thermique, est encore à un stade précoce de développement technologique. La validation technico-économique de ce système de stockage d'énergie à basse température est en cours, et une étude novatrice sur son intégration au stockage géologique du CO2 est menée. Le CO2 capturé dans une centrale électrique ou une installation industrielle est utilisé comme fluide de travail dans le cycle thermodynamique proposé pour stocker l'énergie électrique issue de sources renouvelables sous forme d'énergie thermique et de CO2 dans des formations souterraines. Ce procédé tire parti des hautes pressions utilisées dans le cycle transcritique au CO2, atteignant un rendement global de 40 à 50 %, selon les conditions de fonctionnement.

Le système de stockage d'énergie thermochimique à base d'hydroxyde de calcium, utilisé comme technologie de stockage d'énergie thermique à moyenne température, est actuellement en phase de développement technologique en laboratoire. Ce système repose sur la réaction réversible de déshydratation/hydratation de l'hydroxyde de calcium. Une validation technico-économique détaillée du système est en cours d'élaboration. Un aspect novateur réside dans l'analyse des défis technologiques du système, soulignant l'importance de la récupération de la chaleur latente de condensation de la vapeur produite lors de la réaction de déshydratation, qui représente 38 % de l'énergie solaire thermique atteignant le réacteur. Des cas extrêmes sont analysés, tant ceux où toute la chaleur latente est récupérée que ceux où elle est rejetée dans l'environnement. Différents mécanismes de récupération sont proposés, tels qu'un cycle de Rankine à l'ammoniac ou le stockage de vapeur sous pression, tout en préservant l'indépendance des phases de chargement et de déchargement.

Le système de stockage d'énergie thermochimique basé sur le bouclage du calcium, en tant que technologie de stockage d'énergie thermique à haute température, est le plus avancé parmi les systèmes thermochimiques en termes de maturité technologique. L'analyse technico-économique réalisée place cette technologie dans une position hautement compétitive par rapport aux autres systèmes de stockage thermique, avec un rendement de conversion thermique-électrique pouvant atteindre 48 % et un coût actualisé de l'électricité (LCOE) d'environ 100 MWh. L'originalité de ce travail réside dans la présentation de la conception, du développement et des essais d'une campagne expérimentale menée sur une installation pilote à l'échelle du kW, une première pour la technologie de bouclage du calcium, à laquelle l'auteur a joué un rôle prépondérant. Cette campagne expérimentale positionne la technologie au stade de la démonstration de son développement technologique dans un environnement pertinent, en réalisant les réactions de calcination et de carbonatation en quelques secondes seulement dans un réacteur à flux entraîné, dans les conditions de température et de pression du système de stockage de bouclage du calcium. Ceci permettrait l'intégration du système de stockage dans les grandes centrales thermiques.

La thèse est structurée comme suit. Le premier chapitre, consacré à l'introduction, présente le contexte et les pistes de recherche identifiées, les objectifs fixés dans la thèse en fonction de ces pistes, et définit le champ d'étude. Il analyse également l'état de l'art, décrit la méthodologie et le plan de recherche conformément aux objectifs établis, et présente les résultats obtenus ainsi que la structure du document. Après l'introduction, les contributions à la recherche sont présentées à travers l'analyse des technologies de stockage d'énergie à grande échelle pour les hautes, moyennes et basses températures. Cette section comprend les chapitres 2 (stockage à basse température basé sur des cycles transcritiques au CO₂), 3 (stockage à moyenne température utilisant la technologie de l'hydroxyde de calcium) et 4 (stockage à haute température utilisant la technologie de bouclage du calcium). Enfin, un chapitre est consacré à la discussion des résultats, aux travaux futurs et aux conclusions de la recherche. Les annexes contiennent les publications de l'auteur réalisées pendant l'élaboration de cette thèse de doctorat.