Description du sujet de thèse

Agrivoltaïsme à grande échelle : impact des processus d'encrassement par les particules atmosphériques sur le rendement énergétique, le vieillissement des panneaux solaires et la contamination des cultures sous différentes conditions climatiques
Alors que l'intérêt pour les énergies renouvelables croît, l'encrassement des modules photovoltaïques devient une problématique majeure. Le dépôt de particules réduit la transmission de la lumière vers les panneaux photovoltaïques (PV), entraînant des réductions de production d'énergie allant jusqu'à 25%, avec des pertes maximales atteignant 75%. Le coût du nettoyage des modules PV peut s'élever à des millions de dollars par an, soulignant l'importance d'étudier la réversibilité du processus d'encrassement. Il y a un intérêt considérable pour les approches préventives, telles que les revêtements antireflets (super)hydrophobes ou hydrophiles. Cependant, la plupart des revêtements hydrophiles ou hydrophobes ne prennent pas en compte le fait que l'adhésion dépend non seulement des caractéristiques de la surface, mais aussi des propriétés des particules. La force d'adhésion varie fortement en fonction de la taille, de la forme et des propriétés chimiques des particules, nécessitant une investigation plus approfondie de l'influence des caractéristiques des particules sur le potentiel d'encrassement. Cette investigation doit prendre en compte des facteurs tels que le climat, la nature du sol, l'humidité, et les activités industrielles ou agricoles.
Cette thèse vise à étudier les relations entre les caractéristiques des particules et leur potentiel d'encrassement, avec pour objectif de développer une approche efficace de mitigation de l'encrassement basée sur la composition régionale des particules atmosphériques, qui soit inoffensive pour les cultures et les sols situés sous les panneaux.

Contexte de travail

Le doctorant sera accueilli au CEREGE, Technopôle de l’Arbois, Aix-en-Provence (Centre de Recherche et d’Enseignement en Géosciences de l’Environnement). Le CEREGE est un centre de recherche conjoint qui réunit des domaines multidisciplinaires dans la recherche en géosciences environnementales. Il/elle fera partie du groupe Environnement Durable, qui mène des études sur le cycle de vie (de la production, l’utilisation et la fin de vie) des matériaux et des contaminants afin de comprendre les processus bio-physico-chimiques qui régissent leur réactivité, émission, transfert et impacts dans différents écosystèmes.
o Le doctorant sera supervisé par Mélanie Auffan, chercheuse senior au CNRS CEREGE, et Alicja Babst-Kostecka, professeure associée au Département des Sciences de l’Environnement et directrice du Centre pour une Exploitation Minière Respectueuse de l'Environnement à l’Université d’Arizona. Il/elle aura l’opportunité de passer du temps à l’Université d’Arizona.

o La mission
La recherche abordera les questions suivantes :
Quels mécanismes régissent le dépôt de particules sur les panneaux PV ? Ces informations peuvent-elles être utilisées pour prédire le potentiel d'encrassement des particules polluantes spécifiques sur les panneaux PV installés au-dessus des cultures agricoles ?
Quels facteurs environnementaux (par exemple, radiation, précipitations, température, biofilm, utilisation d'engrais et de pesticides) influencent le vieillissement des surfaces des panneaux PV ? Ces facteurs environnementaux ont-ils un impact sur le dépôt de particules sur les panneaux PV ?
Lors du développement d'une approche efficace de mitigation de l'encrassement, quels facteurs devraient être prioritaires (par exemple, composition régionale de la poussière, rugosité de la surface, etc.) ? Comment l'approche choisie pour la mitigation de l'encrassement affecte-t-elle le vieillissement des panneaux tout au long de leur cycle de vie au-dessus des cultures ?
Le vieillissement des panneaux et la mise en œuvre de différentes approches de mitigation de l'encrassement entraînent-ils potentiellement des effets indésirables sur le sol et les cultures situés sous les panneaux PV dans un système agrivoltaïque ? Y a-t-il une différence mesurable dans les niveaux de pollution (par exemple, accumulation d'éléments nocifs dans le sol et/ou les cultures) et les propriétés bio-physico-chimiques du sol entre un sol agricole de référence et les sols situés sous les panneaux PV, compte tenu du dépôt de polluants provenant des panneaux PV ?


o Activités principales
Ce projet bénéficiera du réseau de collaboration mondial de l'IRC CNRS ARIZONA et de ses partenaires afin d'accéder à des panneaux PV encrassés utilisés dans l'agrivoltaïsme à travers le monde (Europe, Afrique, Asie, Amérique du Nord) sous différents climats. Les sites seront sélectionnés pour représenter différentes étapes du cycle de vie et diverses approches de mitigation de l'encrassement.
Une caractérisation physico-chimique approfondie des particules déposées sur les panneaux PV situés dans des sites aux climats contrastés sera effectuée, en analysant les teneurs en éléments majeurs et traces (utilisant ICP-MS et ICP-OES, TOC), la minéralogie (XRD), la taille et la forme (AFM, SEM, TEM), la charge de surface, l'hydrophobicité, afin d'informer sur le potentiel d'encrassement de ces échantillons de poussière en fonction de leur nature, texture et propriétés de surface. Les sources de ces particules seront tracées à l'aide d'empreintes géochimiques et isotopiques pour identifier les régions où différents types d'encrassement peuvent se produire sur les panneaux solaires. Les systèmes d'imagerie 2D et 3D aux rayons X du CEREGE seront utilisés pour identifier la rugosité de surface et les microstructures des panneaux et pour étudier le dépôt de particules comme un phénomène dynamique. La résolution spatiale et la limite de détection des systèmes microXRF et de tomographie aux rayons X de pointe disponibles seront particulièrement utiles pour informer sur le dépôt et le potentiel adhésif des particules au cours du cycle de vie des panneaux PV. De plus, ces résultats pourront mettre en évidence l'efficacité des différents revêtements de surface actuellement utilisés pour prévenir l'encrassement.
La chambre climatique (comme le Suntest XLS+, au CEREGE) sera utilisée pour simuler des événements de radiation et de pluie, afin de déterminer comment les conditions environnementales telles que l'humidité ou la température modifient l'événement de dépôt, la lixiviation des particules adsorbées, et comment les particules déposées vieillissent au fil du temps (par dissolution, re-précipitation et cimentation sur les surfaces des panneaux solaires) ainsi que le développement de biofilms. De plus, dans ces environnements modèles, il sera possible d'identifier quels facteurs physico-chimiques favorisent la croissance des lichens, des algues ou des biofilms, pour étudier comment ces organismes adhèrent à la surface des panneaux PV plus ou moins altérés.
Nous étudierons de nombreux sites agrivoltaïques pour évaluer la composition élémentaire des cultures et des sols sous les panneaux PV. Les sites agrivoltaïques seront couplés avec des sites agricoles de référence adjacents. Nous utiliserons un analyseur portable de fluorescence X (pXRF) pour une analyse élémentaire rapide, non destructive et précise des tissus végétaux et des échantillons de sol. Ces données guideront les phases de travail de terrain suivantes, au cours desquelles des échantillons de sol seront collectés à partir des emplacements identifiés comme potentiellement impactés négativement et feront l'objet de tests approfondis en laboratoire, y compris des analyses de diversité microbienne et chimique du sol.
o Le principal résultat de ce travail sera la méta-analyse des données abordant des aspects clés tels que : i) les mécanismes de dépôt des particules sur les panneaux PV, ii) les facteurs environnementaux influençant le vieillissement des panneaux ; iii) les facteurs de mitigation de l'encrassement, et iv) les effets indésirables potentiels sur le sol et les cultures, ce qui éclairera notre compréhension des interactions entre agrivoltaïsme et durabilité environnementale. Les informations sur les stratégies pratiques et durables pour mitiger l'encrassement des panneaux PV sont limitées. Ainsi, le potentiel de générer de nouvelles informations et de découvrir et identifier de nouvelles approches est élevé.
o Compétences attendues :
 Connaissances
 Le candidat doit avoir une formation en chimie, géosciences ou sciences de l'environnement (ou dans des domaines connexes) et une expérience dans le comportement et le devenir des particules dans l'environnement et/ou dans l'analyse physique et chimique spécifique aux nanomatériaux.

 Compétences opérationnelles
Nous recherchons des candidats motivés et autonomes qui aiment travailler sur des questions de recherche stimulantes au sein d'une équipe internationale et dans le cadre de grands projets collaboratifs avec des partenaires en France et aux États-Unis. Nous attendons du candidat retenu qu'il soit prêt à présenter ses résultats lors de conférences internationales et à voyager pour des collaborations scientifiques avec les partenaires du projet ainsi que pour des réunions de projet.

Contraintes et risques

Notre langue de travail sera le français et l'anglais..