Soutenance mémoire
D’un point de vue historique, l’évolution des sociétés humaines est étroitement liée à l’évolution de notre utilisation de l’énergie. Beaucoup des progrès majeurs réalisés dans l’histoire de l’humanité ont été rendus possibles par l’invention de nouveaux systèmes permettant d’exploiter une source d’énergie présente dans notre environnement : à toutes les époques, l’Homme a fait usage de son intelligence pour s’assister énergétiquement, depuis la charrue utilisant la force musculaire d’un animal pour transporter des ressources, jusqu’aux centrales nucléaires modernes qui exploitent l’intensité de l’interaction forte lors de réactions de fission, en passant par les bateaux à voile, moulins à vent, roues à eau, machines à vapeur, moteurs à explosion, éoliennes, panneaux solaires thermiques et photovoltaïques, …
Le développement de tous ces procédés d’extraction et de conversion de l’énergie a permis une amélioration significative de nos modes de vie, en répondant d’abord à des besoins fondamentaux (permettre aux individus de se nourrir, se loger, se chauffer) puis en augmentant notre niveau de confort (développement d’une société de services : déploiement de modes de transport qui ouvrent la voie à un commerce de plus en plus mondialisé et accroissent la portée des voyages, etc.). Toutefois, il s’est accompagné d’une croissance de la consommation d’énergie qui nous a rendus de plus en plus dépendants de services énergétiques : c’est ce que traduit le concept d’« esclaves énergétiques », conceptualisé par Richard Fuller en 1940 et repris par de nombreux auteurs. En 2012, un Français disposait en moyenne de l’équivalent énergétique de 400 à 500 esclaves au quotidien : cette estimation donne un aperçu de la quantité colossale d’énergie qui irrigue nos sociétés modernes.
Cet accroissement de notre utilisation d’énergie (et donc de notre dépendance énergétique) a fait émerger plusieurs problématiques, notamment :
• La diminution continue des ressources qui fait craindre leur épuisement à plus ou moins long terme. Celles-ci sont utilisées dans les systèmes énergétiques soit en tant que combustibles (e.g. charbon, pétrole, gaz, uranium), soit lors de leur construction (e.g. métaux, terres rares).
• Le changement climatique dû principalement à la hausse significative des émissions de CO2, gaz à effet de serre relâché dans l’atmosphère lors de la combustion des ressources fossiles carbonées.
La trajectoire historique que nous avons suivie nous place donc aujourd’hui dans une situation de dégradation exacerbée de l’environnement qui nous héberge, et notre consommation excessive d’énergie (en particulier celle issue des ressources fossiles) en est une cause manifeste. Force est de constater que cette situation n’est pas soutenable à long terme, et qu’un changement profond de nos sociétés est indispensable afin d’en sortir pour pérenniser notre futur collectif.
Dans son rapport d’actualisation du scénario énergie-climat aux horizons 2035 et 2050 , l’ADEME dépeint un ensemble d’évolutions sociétales et techniques nous permettant de tenir une trajectoire compatible avec les objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) fixés lors des accords de Paris en 2015. La réalisation de ces transformations, qui concernent tous les secteurs de l’économie (bâtiment, transport et mobilité, alimentation, industrie, énergie …), s’appuie sur les 3 piliers suivants :
• La sobriété (qui se traduit par des actions visant à infléchir la demande énergétique).
• L’efficacité énergétique (i.e. l’optimisation des procédés, systèmes, bâtiments existants et à venir dans le but de minimiser leur consommation énergétique).
• Le développement des énergies renouvelables (afin de diversifier l’offre énergétique et de l’émanciper progressivement des ressources fossiles).
Cette thèse s’inscrit dans le deuxième pilier, celui de l’efficacité énergétique. L’objectif des travaux présentés dans ce manuscrit est d’apporter une modeste contribution à l’édifice immense des recherches menées sur le thème de l’efficacité énergétique, et en particulier sur la valorisation de sources de chaleur à des températures inférieures à 250 °C. Dans ce manuscrit, ces sources seront désignées comme étant « à basse température », en référence à leur exploitabilité limitée dans l’industrie. Elles peuvent être obtenues à l’aide de technologies solaires faiblement concentrées, ou encore au niveau des rejets de certains procédés industriels (e.g. industries du métal et du verre). L’énergie issue de ces rejets étant souvent inexploitable de façon directe (i.e. sous forme de chaleur) sur le site où elle est générée, sa conversion semble être une perspective intéressante pour générer un effet utile qui pourra être injecté sur ce site ou sur un réseau d’énergie avoisinant.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Cycles thermodynamiques hybrides à sorption et valorisation des sources de chaleur à basse température
I. Aperçu de la ressource thermique à basse température, enjeux du stockage
I.1 Chaleur à basse température : évaluation et usages de la ressource
I.2 Procédés de stockage de la chaleur : intérêts et état de l’art
II. Systèmes de production d’électricité à partir d’une source de chaleur à basse température
II.1 Machine à cycle organique de Rankine (ORC)
II.1.1 Principe de fonctionnement
II.1.2 Architectures et fluides de travail existants
II.1.3 Choix de l’organe de détente
II.2. Autres machines motrices
II.2.1 Cycle de Kalina
II.2.2 Moteur Stirling
II.2.3 Systèmes thermoélectriques
II.2.4 Systèmes thermoacoustiques
III. Systèmes de production de froid à partir d’une source à basse température
III.1 Cycles thermodynamiques impliquant un procédé à sorption
III.1.1 Cycles à absorption liquide/gaz
III.1.2 Cycles à adsorption solide/gaz
III.1.3 Cycles thermochimiques (réaction chimique solide/gaz)
III.2 Systèmes thermoacoustiques
IV. Systèmes de cogénération froid/électricité à partir d’une source à basse température : cycles hybrides à sorption
IV.1 Principes généraux et intérêts de l’hybridation
IV.2 Cycles hybrides à absorption liquide/gaz
IV.3 Cycles hybrides thermochimiques
V. Conclusions
Chapitre 2 : Définition et analyse thermodynamique des architectures de cycle hybride thermochimique
I. Cycle hybride thermochimique : description des architectures identifiées
I.1 Principe de fonctionnement général
I.2 Modes à production de froid privilégiée
I.2.1 Mode séparé
I.2.2 Mode simultané
I.2.3 Mode combiné
I.3 Modes à production de travail mécanique privilégiée
I.3.1 Mode décharge
I.3.2 Mode charge & décharge combinées
I.4 Cycles à sorption simple
Conclusion
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