Description du sujet de thèse

Titre : Optimisation de la production de chaleur solaire industrielle dans les centrales Fresnel en génération directe de vapeur

Laboratoires : CNRS PROMES - CEA L2TS
Financement : Région Occitanie - ANR (PEPR SPLEEN)
Directeur de thèse : S. RODAT (CNRS PROMES)
Encadrants : Q. FALCOZ (CNRS PROMES) ; V. VUILLERME (CEA LITEN)
Partenaire Industriel : F. ROGET (eLlo) ; F. LECAT (eLlo)

Profil du candidat :
-Formation : Master 2 Recherche ou Diplôme d’Ingénieur avec une expérience recherche (PFE effectué dans un laboratoire de recherche).
-Discipline : Sciences pour l’ingénieur.
-Connaissances et compétences : Energétique, Mathématiques appliquées, Technologies solaires, Thermohydraulique.
-Programmation : Python, Modelica
-Autre : Esprit de synthèse, bonne rédaction, bon niveau d’anglais.

Introduction :
Les procédés industriels utilisent de la chaleur dans la plage de température 50-1500°C et la chaleur représente environ 70% de la consommation d'énergie dans l'industrie. La consommation de chaleur dans l'industrie est généralement classée en trois domaines de température : basse (en dessous de 150°C), moyenne (150-400°C) et haute (au dessus de 400°C), pouvant être adressés par différentes technologies de capteurs solaires. Les technologies solaires à concentration sont nécessaires lorsqu’il s’agit de produire de la chaleur solaire au dessus de 150°C. La question centrale de l'intégration de la chaleur solaire dans les procédés industriels est abordée dans le projet SHIP4D (Programme PEPR SPLEEN). Dans le cadre de cette thèse, le CNRS PROMES et le CEA LITEN, en collaboration avec la centrale solaire à génération directe de vapeur Ello (située dans les Pyrénées-Orientales), souhaitent étudier la production de chaleur solaire pour l’industrie pour des températures de l’ordre de 300°C. Le travail se basera sur les données de performance de la centrale solaire thermique Ello afin de valider un modèle numérique capable d’estimer et optimiser la production de chaleur via des moyens de stockage. Une étude sur les besoins de chaleur en Occitanie et en Région Auvergne-Rhône-Alpes (AuRA) sera abordée pour définir comment la chaleur solaire ainsi produite pourrait répondre aux enjeux de la décarbonation de la chaleur industrielle dans ces régions.

Positionnement du projet :
75% de la consommation énergétique de l’industrie sert à la production de chaleur pour différents procédés (agroalimentaire, textile…). 50% de ces besoins concernent de la chaleur à T inférieure à 400°C, niveau de température conventionnel pour les centrales solaires à concentration linéaire. Cette chaleur est aujourd’hui essentiellement produite via des chaudières à combustibles fossiles. Sur ces niveaux de température, le solaire photovoltaïque n’est pas pertinent, les rendements de conversion du solaire thermique étant 2 à 3 fois plus élevés, avec en plus la possibilité de stocker la chaleur à faible coût. D’autre part, la disponibilité des carburants renouvelables sera limitée, les destinant préférentiellement aux applications hautes températures (sidérurgie, cimenterie…). Il est donc particulièrement pertinent de décarboner la chaleur industrielle grâce à la production directe de vapeur via des centrales solaires thermiques à concentration, décarbonation qui est l’ambition n°2 du Pacte vert.

Objectifs du projet :
L’objectif du projet est de promouvoir la chaleur solaire pour l’industrie dans un objectif de décarbonation. Pour ce faire, le laboratoire PROMES, spécialisé dans les procédés solaires sous concentration, et le CEA LITEN, qui développe des outils numériques pour le contrôle optimal des systèmes thermiques, propose de s’associer avec la centrale solaire thermique Ello, qui produit de la vapeur à 286°C, 70 bars, afin de travailler sur l’optimisation de la fourniture de chaleur solaire pour les procédés.
Les objectifs du projet sont multiples :
• Etat de l’art de la chaleur dans l’industrie avec un focus sur la région Occitanie et AuRA.
• Exploitation des données de la centrale solaire Ello afin d’évaluer les capacités de production.
• Réalisation d’un modèle numérique représentatif de l’installation (simulateur) sous Modelica, limité à la production de la vapeur et à son stockage/déstockage selon les besoins côté procédé industriel.
• Réalisation d’un jumeau numérique de l’installation couplant le simulateur de la centrale à des contrôleurs haut-niveau.
• Test de différentes stratégies de contrôle haut-niveau et algorithmes ayant pour objectifs l’optimisation de production de vapeur, de la gestion du stockage et de la livraison de chaleur, afin de couvrir au maximum la demande et maximiser l’utilisation de la ressource solaire.
Ainsi, ce projet de thèse permettra de se nourrir de l’expérience de la seule centrale solaire commerciale à concentration et à génération directe de vapeur en France pour développer une stratégie de décarbonation de la chaleur industrielle.

Description détaillée du projet scientifique :
Le projet scientifique regroupe 2 partenaires académiques (CNRS et CEA) et un partenaire industriel (Ello).
Le laboratoire CNRS-PROMES (Procédés Matériaux et Energie Solaire) est un laboratoire spécialisé dans les systèmes solaires à concentration. Il dispose de moyens solaires uniques (four solaire d’Odeillo, centrale solaire Thémis) qui lui confèrent des compétences essentielles dans le domaine de l’énergie solaire à concentration tant au niveau expérimental que numérique. La chaleur de procédé est clairement identifiée comme une voie de développement à l'avenir pour le laboratoire.
Le laboratoire L2TS (Laboratoire des Technologies Thermodynamiques & Solaires) porte la feuille de route « chaleur solaire pour l’industrie et les territoires » du CEA-Liten. Il dispose de moyens expérimentaux de pointe dans le domaine de l’énergie solaire à concentration (2 prototypes de centrales Fresnel Linéaire sur le site de Cadarache) et a développé en parallèle une expertise dans le dimensionnement et le contrôle optimal des systèmes pour la production de chaleur industrielle moyenne température.
La centrale solaire Ello est l’unique centrale commerciale utilisant l’énergie solaire à concentration sur le sol français. Elle se situe à Llo en Cerdagne (Occitanie). C’est une centrale de type Fresnel qui fournit 10MWe avec un stockage thermique de 4h à pleine puissance. Cette centrale a démarré en 2019 et les exploitants ont fait un bilan très positif des 5 années d’exploitation au congrès SOLARPACES à Rome en octobre 2024. C’est également la seule centrale au niveau international utilisant un moyen de stockage de chaleur sous forme de ballon de stockage d’eau pressurisée qui permet de n’avoir que de l’eau à la fois comme fluide de transfert (dans le champ solaire), fluide de stockage (liquide saturé) et fluide de travail (turbine à vapeur saturée). L’utilisation de l’eau en fait un projet parfaitement respectueux de l’environnement (en comparaison, la plupart des centrales actuelles utilisent des huiles thermiques), mais également un projet particulièrement en phase avec les besoins en vapeur de l’industrie.
Les travaux envisagés dans cette offre de thèse sont dans la continuité d'une collaboration dynamique et fructueuse entre la centrale Ello et le laboratoire PROMES.
Le travail s’organisera autour de 4 actions principales :

Etat de l’art :
Le travail de thèse commencera par un état de l’art de la chaleur pour l’industrie afin de réaliser un panorama global puis régional des besoins et des solutions pour un apport de chaleur durable. Cet état de l’art permettra de lister le besoin en chaleur en région Occitanie et AuRA, et les industries à cibler en fonction des besoins thermiques associés.

Exploitation des données de la centrale Ello :
En collaboration avec la centrale solaire Ello, le doctorant/la doctorante évaluera la capacité de production de l’installation industrielle existante à l’échelle industrielle (30 MWth). La centrale Ello est la seule centrale solaire à concentration en France. Elle permet de produire 10MWe, mais le projet de thèse focalisera davantage sur la capacité de l’installation à fournir de la vapeur (286°C, 70 bars). Cette centrale dispose également de 4h de stockage thermique, ce qui permet de produire au-delà des périodes d’ensoleillement, un atout pour la chaleur de procédé. L’objectif est de pouvoir fournir des données sur les capacités de production de chaleur industrielle et pour la validation de modèles numériques.

Développement du simulateur et du jumeau numérique de l’installation :
Un modèle numérique de l’installation (simulateur) sera développé sous Modelica. Il se limitera à la partie production et stockage/déstockage de la vapeur (bloc de puissance non représenté). Ce simulateur intégrera les modèles optiques, thermiques et hydrauliques, ainsi que les contrôleurs bas-niveau, permettant de représenter finement le comportement de l’installation. La plateforme de cosimulation du CEA sera utilisée pour créer le jumeau numérique de l’installation, soit le couplage entre le simulateur de la centrale et les stratégies de pilotage (contrôle haut-niveau).

Optimisation des capacités de l’installation :
Le jumeau numérique sera utilisé afin d’optimiser l’opération de la centrale et de son stockage, et de maximiser la production. L’exercice sera fait pour les courbes de charges spécifiques de l’installation Ello, mais également pour un autre procédé industriel « type ». Celui-ci devra être choisi et caractérisé en termes de besoin afin d’évaluer le potentiel de l’énergie solaire à concentration pour la décarbonation des procédés en Occitanie et AuRA. La notion d’hybridation entre plusieurs sources de chaleur sera abordée afin d’assurer une fourniture stable de chaleur tout au long de l’année. Les émissions de CO2 évitées pourront ainsi être quantifiées entre un procédé conventionnel (gaz) et un procédé hybride solaire (ex : solaire gaz).

L’analyse et l’optimisation des performances des centrales solaires thermiques, couplées à un état des lieux des besoins en chaleur dans l’industrie en Occitanie et AuRA, doivent conduire à la promotion et à l’introduction progressive de la chaleur solaire pour notre industrie. Le travail de thèse devra aussi jouer un rôle pédagogique en promouvant la technologie solaire à concentration, qui est peu connue par le monde socio-économique. C’est pourtant une technologie mature qui se déploie de plus en plus en Europe et au-delà. C’est une énergie qui peut garantir l’indépendance et la stabilité des coûts pour les années à venir. Elle ne se base pas sur des métaux rares et peut être fabriquée localement de manière simple avec un taux important de matériaux recyclables, ce qui est compatible avec les ambitions d’une économie circulaire.

Parmi les objectifs du projet, on peut citer :
• 2 publications dans des journaux internationaux (Par exemple Energy, Applied Energy, Energy Conversion and Managment…).
• 2 participations à des congrès nationaux et/ou internationaux (Par exemple Solarpaces, JNES, SFT…).
• Participation à des manifestations scientifiques tout public.

Contexte de travail

La thèse se déroulera au laboratoire PROMES-CNRS, sur le site du four solaire d'Odeillo. Les développements numériques nécessiteront quelques déplacements sur le site l’INES (Le Bourget du Lac, Savoie) pour travailler avec les équipes du CEA Liten.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.