Stockage thermique à base d'éco-matériaux locaux pour

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Stockage thermique agrave base drsquoeacuteco-mateacuteriaux locaux pourcentrale solaire agrave concentration cas du pilote

CSP4AFRICAEric Kenda Nitedem

To cite this versionEric Kenda Nitedem Stockage thermique agrave base drsquoeacuteco-mateacuteriaux locaux pour centrale solaire agraveconcentration cas du pilote CSP4AFRICA Geacutenie des proceacutedeacutes Universiteacute de Perpignan 2017Franccedilais NNT 2017PERP0052 tel-01753832

Deacutelivreacute par

UNIVERSITE DE PERPIGNAN VIA DOMITIA

Preacutepareacutee au sein de lrsquoeacutecole doctorale

Eacutenergie et Environnement ED 305

Et de lrsquouniteacute de recherche

PROMES ndash CNRS UPR 8521

Speacutecialiteacute Energeacutetique et Geacutenie des Proceacutedeacutes

Preacutesenteacutee par

KENDA NITEDEM Eric Serge

Soutenance preacutevue le 8 deacutecembre 2017 devant le jury composeacute de

M Dieudonneacute BATHIEBO Professeur Universiteacute de

Ouagadougou I Burkina Faso

Preacutesident

M Patrick ECHEGUT Directeur de Recherche CEMHTI-

CNRS Orleacuteans France

Rapporteur

M Salifou OUIMINGA Maitre de confeacuterences (CAMES)

Universiteacute de Ouagadougou I Burkina Faso

Rapporteur

M Emmanuel NANEMA Maicirctre de recherche (CAMES)

IRSAT - CNRST Burkina Faso

Examinateur

M Xavier PY Professeur CNRS-PROMES Universiteacute de

Perpignan France

Directeur de Thegravese

M Yeacutezouma COULIBALY Maicirctre de confeacuterences (CAMES)

2iE Burkina Faso


M K Edem NrsquoTSOUKPOE Maitre de confeacuterences (CNU 62)

2iE Burkina Faso

Inviteacute

STOCKAGE THERMIQUE Agrave BASE DrsquoECO-

MATERIAUX LOCAUX POUR CENTRALE

SOLAIRE Agrave CONCENTRATION CAS DU

PILOTE CSP4AFRICA

THESE EN COTUTELLE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR EN SCIENCE ET TECHNOLOGIE DE LrsquoEAU DE LrsquoEacuteNERGIE ET

DE LrsquoENVIRONNEMENT DE 2IE

Speacutecialiteacute Eacutenergie

ET

DOCTEUR EN ENERGIE ET ENVIRONNEMENT DE LrsquoUNIVERSITEacute DE

PERPIGNAN VIA DOMITIA


Preacutesenteacutee et soutenue publiquement

Par


Le 8 deacutecembre 2017

Reacutefhelliphellip

STOCKAGE THERMIQUE Agrave BASE DrsquoECO-MATERIAUX

LOCAUX POUR CENTRALE SOLAIRE A CONCENTRATION

CAS DU PILOTE CSP4AFRICA

JURY

Laboratoire Eacutenergie Solaire et Eacuteconomie drsquoEacutenergie (LESEE 2iE)

Laboratoire Proceacutedeacutes Mateacuteriaux Eacutenergie Solaire (PROMES-CNRS UPVD)

M Dieudonneacute BATHIEBO Professeur Universiteacute de Ouagadougou I Burkina

Faso

Preacutesident

M Patrick ECHEGUT Directeur de Recherche CEMHTI-CNRS Orleacuteans

France

Rapporteur

M Salifou OUIMINGA Maitre de confeacuterences (CAMES) Universiteacute de


Rapporteur

M Emmanuel NANEMA Maicirctre de recherche (CAMES) IRSAT - CNRST

Burkina Faso

Examinateur

M Xavier PY Professeur CNRS-PROMES Universiteacute de Perpignan France Directeur de Thegravese

M Yeacutezouma COULIBALY Maicirctre de confeacuterences (CAMES) 2iE Burkina Faso Directeur de Thegravese

M K Edem NrsquoTSOUKPOE Maitre de confeacuterences (CNU 62) 2iE Burkina Faso Inviteacute

0 i

Deacutedicaces

A MON DEFUNT PAPA KENDA EDOUARD

A MA MAMAN JIOKENG HEacuteLEgraveNE

0 ii

Citations

laquo Si tu veux avoir la connaissance des choses commence par leur deacutetail et ne passes drsquoun deacutetail agrave

lrsquoautre qursquoapregraves avoir bien fixeacute le premier dans ta meacutemoire raquo

Leonardo Da Vinci

laquo Rien nrsquoest permanent sauf le changement raquo

Heacuteraclite drsquoEacutephegravese

laquo Je ne perds jamais soit je gagne soit japprends raquo

Nelson Mandela

0 iii

Remerciements

Avant tout deacuteveloppement sur cette expeacuterience professionnelle il apparaicirct opportun de

commencer ce rapport par des remerciements agrave ceux qui ont contribueacute de pregraves ou de loin agrave la

reacutealisation de cette thegravese de doctorat et croyez-moi la tacircche est aussi ardue que la thegravese elle-

mecircme Alors jespegravere trouver les mots justes pour traduire toute ma gratitude

Ce travail de thegravese srsquoest deacuterouleacute dans le cadre drsquoune collaboration entre le Laboratoire Eacutenergie

solaire et Eacuteconomie drsquoEacutenergie de lrsquoInstitut International drsquoIngeacutenierie de lrsquoEau et lrsquoEnvironnement

(2IE) et le laboratoire PROMES du CNRS affilieacute agrave lrsquoUniversiteacute de Perpignan Via Domitia

(UPVD) Cette thegravese a eacuteteacute financeacutee par lrsquoUnion Europeacuteenne et lrsquoUnion Africaine agrave travers le projet

CSP4Africa Ce travail a eacutegalement eacuteteacute soutenu par le programme franccedilais laquoinvestissements pour

lavenirraquo geacutereacute par lAgence nationale pour la recherche et le projet europeacuteen EUROSUNMED La

thegravese a reccedilu lrsquoappui financier du reacuteseau africain pour leacutenergie solaire (ANSOLE) agrave travers le

programme de bourse laquo ANSOLE fellowship raquo Je tiens en premier lieu agrave remercier tregraves

sincegraverement chacun de ces organismes pour leur soutien

Je tiens agrave remercier lrsquoensemble de mon jury de thegravese pour avoir accepteacute drsquoexaminer mon travail et

pour leurs remarques enrichissantes

Jrsquoadresse ma plus grande gratitude et ma profonde reconnaissance au Professeur Xavier Py mon

directeur de thegravese qui mrsquoa apporteacute un grand enrichissement intellectuel au cours de cette thegravese Je

le remercie pour la confiance lrsquoeacutecoute et lrsquoaide qursquoil mrsquoa accordeacute depuis lrsquoattribution de la thegravese

jusqursquoagrave la derniegravere version corrigeacutee de ce manuscrit Je me suis pris de passion pour le stockage de

la chaleur pendant ton cours sur le sujet agrave 2IE en 2011 et je pense avoir gardeacute le virus en moi

Mes vifs remerciements au Professeur Yezouma Coulibaly mon directeur de thegravese pour avoir

accepteacute drsquoassurer la direction de cette thegravese Je tiens agrave vous exprimer toute ma reconnaissance

pour votre disponibiliteacute et la bienveillance dont vous avez fait preuve agrave mon eacutegard Vos multiples

conseils toujours tregraves justes mrsquoont permis drsquoapprendre drsquoeacutevoluer et de mrsquoameacuteliorer tout au long

de mes eacutetudes agrave 2IE depuis ma premiegravere anneacutee de licence en 2008 agrave cette thegravese

Mes remerciements agrave mon encadrant de thegravese Dr K Edem NrsquoTsoukpoe maicirctre assistant agrave la

Fondation 2iE pour sa disponibiliteacute et le soutien qursquoil mrsquoa apporteacute Je garderai en meacutemoire son

goucirct de la perfection et la rigueur scientifique qursquoil mrsquoa transmis

Je remercie eacutegalement le Dr Daniel Yamegueu maicirctre assistant agrave la Fondation 2iE et chef du

Laboratoire Energie Solaire et Eacuteconomie drsquoEacutenergie (LESEE 2iE) pour ses conseils et son appui

de tous les jours

Jrsquoexprime ensuite toute ma gratitude au Professeur Yao Azoumah pour mrsquoavoir recruteacute en thegravese et

pour avoir dirigeacute cette thegravese pendant la premiegravere anneacutee

Je remercie le Dr Najim Sadiki le Dr Igor Oueacutedraogo Dr Yanko Goran et Dr Antoine Meffre

pour les nombreuses discussions et contributions scientifiques jrsquoai eacutenormeacutement appris aupregraves de

vous

0 iv

Mes sincegraveres remerciements agrave Yanko Gorand Gilles Hernandez Eric Beche Odilon Changotadeacute

Fabrice Oueacutedraogo avec qui jrsquoai eu la chance de travailler sur les meacutethodes et techniques de

caracteacuterisation Encore merci pour votre aide et votre bonne humeur

Je nrsquooublie bien sucircr pas tous ceux qui mrsquoont accompagneacute dans mon petit peacuteriple au cours de ces

anneacutees Alain Gabin Manu Aristide Paul et Cedric avec qui jrsquoai commenceacute cette thegravese Sur la

mecircme lanceacutee je pense eacutegalement agrave ceux et celles qui nous nous ont preacuteceacutedeacutes dans cette aventure

Kafira Gomna Gracircce Linda Gloria Lae Titia merci pour lrsquoesprit drsquoentraide et de soutien qui

nous avons su mettre en place durant toutes ces anneacutees

Je suis reconnaissant agrave toutes les personnes des deux laboratoires LESEE et PROMES avec qui

jrsquoai eu le plaisir de travailler les chercheurs les techniciens le personnel administratif les

stagiaires mais que je ne vais pas nommer pour eacuteviter drsquoen oublier Je suis tregraves sensible agrave la

teacutemeacuteriteacute et au soutien que jrsquoai toujours pu avoir pregraves de vous

Je tiens agrave exprimer ma profonde gratitude agrave ma famille Pour commencer je remercie mes fregraveres et

sœurs Roseline Nadegravege Samuel Carlos Cyrille Caroline Derrick et Achille Je tiens agrave

remercier tregraves sincegraverement Martine Philippe et Alex pour leur soutien moral Merci agrave toutes et agrave

tous pour votre appui et pour votre aide dans la reacutealisation de mes recircves et de mes aspirations

professionnelles

Agrave toi que jrsquoappelais affectueusement laquo mon troisiegraveme directeur de thegravese raquo Sonia je te remercie de

tout cœur pour avoir eacuteteacute agrave mes cocircteacutes pendant cette thegravese Je suis conscient que cela nrsquoa pas eacuteteacute

simple et facile tous les jours de me partager avec cette thegravese Ta preacutesence ton soutien et ta

confiance ont eacuteteacute essentiels pour me donner le courage de continuer drsquoavancer Sonia les lignes

qui suivent sont pour toi qursquoelles soient le teacutemoignage de ma profonde reconnaissance

Merci agrave tous

0 v

Table des matiegraveres

INTRODUCTION GENERALE 1

CHAPITRE I SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE 1

Introduction 2

1 Technologies de production drsquoeacutelectriciteacute par voie solaire concentreacutee 3

11 Vue drsquoensemble des centrales thermodynamiques agrave concentration 3

12 Les diffeacuterentes technologies CSP 3

13 Comparaison des diffeacuterentes technologies 5

14 Enjeux pour les CSP en Afrique de lrsquoOuest 6

15 Le projet CSP4Africa 7

151 Preacutesentation du projet 7

152 Le cycle thermodynamique 7

153 Le systegraveme de stockage de la chaleur 8

2 Le stockage de la chaleur appliqueacute aux CSP 8

21 Inteacuterecirct des systegravemes de stockage thermique dans les CSP 8

211 Stockage de protection 9

212 Stockage de production 9

22 Modes de stockage de la chaleur dans les CSP 11

221 Stockage par chaleur sensible 11

221 Stockage par chaleur latente 12

222 Stockage thermochimique 12

223 Analyse des modes de stockage 12

23 Systegravemes de stockage par chaleur sensible dans les CSP 13

24 Quel systegraveme de stockage pour le projet CSP4Africa 14

241 Systegraveme de stockage agrave deux reacuteservoirs 14

242 Systegraveme de stockage thermocline 15

3 Contraintes lieacutees agrave lrsquoutilisation des mateacuteriaux de stockage conventionnels dans le systegraveme agrave deux reacuteservoirs

et le systegraveme thermocline 17

31 Les huiles thermiques 17

32 Les sels fondus 18

33 Les ceacuteramiques industrielles 19

34 Conclusion sur les mateacuteriaux conventionnels 20

4 Les huiles veacutegeacutetales candidat drsquointeacuterecirct pour le stockage ou le transfert de la chaleur dans les CSP 20

41 Les huiles veacutegeacutetales 20

411 Composition des huiles veacutegeacutetales 20

412 Production des huiles veacutegeacutetales 23

42 Marcheacute des huiles veacutegeacutetales 23

43 Valorisation des huiles veacutegeacutetales dans les CSP 25

44 Comportement thermique des huiles veacutegeacutetales 26

5 Les roches et les ceacuteramiques recycleacutees 27

51 Mateacuteriaux naturels les roches 27

511 Proprieacuteteacutes thermo physiques des roches 28

512 Utilisation des roches comme mateacuteriau de stockage de la chaleur dans les CSP 30

0 vi

52 Mateacuteriaux issus des deacutechets pour le stockage par chaleur sensible 32

521 Ceacuteramique issue de deacutechets amianteacutes le Cofalit 32

522 Ceacuteramiques issues des cendres volantes (Fly ashes FA) 34

523 Ceacuteramiques issues des laitiers de sideacuterurgie 35

53 Conclusion sur les mateacuteriaux alternatifs issus de deacutechets industriels 37

6 Conclusion positionnement et objectifs de la thegravese 39

CHAPITRE II IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DE RESSOURCES

POTENTIELLES EN AFRIQUE DE LrsquoOUEST 40

Introduction 41

1 Candidats potentiels en Afrique de lrsquoOuest 42

11 Critegraveres de seacutelection des mateacuteriaux de stockage 42

12 Lrsquohuile veacutegeacutetale de Jatropha Curcas (HVJC) 43

13 Les roches 47

131 La lateacuterite 47

1311 Deacutefinition formation et composition de la lateacuterite 47

1312 Comportement thermique des phases mineacuterales de la lateacuterite 49

1313 La lateacuterite du Burkina Faso 51

132 Lrsquoargile 52

1321 Deacutefinition formation et composition 52

1322 Comportement thermique des argiles agrave forte teneur en kaolinite 53

1323 Valorisation des matiegraveres premiegraveres argileuses drsquoAfrique de lrsquoOuest 53

14 Mateacuteriaux issus des coproduits ou de deacutechets industriels 55

141 Les reacutesidus des centrales eacutelectriques agrave charbon cendres de foyer de SONICHAR 55

1411 Deacutefinition et formation des cendres de foyer des centrales agrave charbon 55

1412 Les deacutechets SONICHAR au Niger 57

142 Les reacutesidus de la production drsquoaceacutetylegravene agrave charbon La Chaux de BIG 58

1421 La chaux 58

1422 Le deacutechet de BIG au Burkina Faso 59

2 Mateacuteriel et techniques de caracteacuterisation 59

21 Mateacuteriel et techniques de caracteacuterisation de lrsquohuile veacutegeacutetale 60

211 Paramegravetres physiques 60

2111 Viscositeacute 60

2112 Point eacuteclair 60

2113 Densiteacute 60

212 Paramegravetres chimiques 60

2121 Indice drsquoaciditeacute 60

2122 Teneur en eau 60

2123 Indice drsquoiode 60

2124 Indice de peroxyde 60

2125 Composition chimique 61

22 Mateacuteriel et techniques de caracteacuterisation des mateacuteriaux solides 61

221 Analyse par microscopie eacutelectronique agrave balayage 61

2211 Meacutethode 61

2212 Mateacuteriel et eacutechantillonnage 61

222 Analyse structurale par Diffraction des rayons X (DRX) 61


0 vii


223 Analyse thermogravimeacutetrique et diffeacuterentielle colorimeacutetrique agrave balayage 63



224 Proprieacuteteacutes thermophysiques 63

2241 Meacutethodes 63

2242 Mateacuteriel expeacuterimental 64

3 Caracteacuterisation des mateacuteriaux seacutelectionneacutes 65

31 LrsquoHVJC du Burkina Faso 65

311 Caracteacuteristiques physiques et chimiques de lrsquoHVJC 65

312 Composition chimique de lrsquoHVJC 66

32 Les roches et mateacuteriaux recycleacutes 66


3211 Analyse morphologique et semi-quantitative 67

3212 Analyse structurale 68

3213 Comportement thermique 69

3214 Proprieacuteteacutes thermo physiques 71

322 Les cendres de foyer de SONICHAR au Niger 71

3221 Analyse morphologique et semi quantitative et structurale des cendres de foyer 72


323 La chaux de BIG au Niger 73

3231 Analyse morphologique et semi quantitative et structurale 73


33 Potentiel des mateacuteriaux identifieacutes pour le stockage thermique 75

4 Conclusion 77

CHAPITRE III HUILE DE JATROPHA CURCAS COMME FLUIDE DE TRANSFERT ET DE

STOCKAGE DE CHALEUR DANS LES CSP ETUDE EXPERIMENTALE DE LA STABILITE

THERMIQUE DE LrsquoHUILE 78

Introduction 79

1 Meacutethode et approche expeacuterimentale drsquoeacutetude de la stabiliteacute thermique de lrsquohuile de Jatropha curcas 80

11 Analyse thermogravimeacutetrique (TG) et diffeacuterentielle thermique (DTA) 80

12 Proceacutedure de chauffage pour les tests de stabiliteacute 81

121 Tests de stabiliteacute thermique 82

1211 Proceacutedure des tests dynamiques 82

1212 Proceacutedure des tests pseudo-statiques 83

1213 Proceacutedure des tests statiques 84

122 Choix des proprieacuteteacutes physiques et chimiques permettant drsquoeacutevaluer la deacutegradation thermique drsquoune

huile veacutegeacutetale 85



1223 La masse volumique 86

1224 Lrsquoindice drsquoaciditeacute 86

1225 Lrsquoindice drsquoiode 87

1226 Lrsquoindice de peroxyde 87

1227 La teneur en eau 87

1228 La composition chimique 88

0 viii

2 Reacutesultats et discussions 88

21 Etude du comportement thermique par lrsquoanalyse rapide et long terme agrave lrsquoaide de la TG et DTA 88

211 Analyse TGDTA 88

212 Analyse long terme de la masse par TG 90

22 Tests dynamiques de stabiliteacute thermique de lrsquoHVJC 91

221 Eacutevolution des proprieacuteteacutes physiques 91

222 Eacutevolution des proprieacuteteacutes chimiques 93

223 Eacutevolution de la teneur en meacutetaux 95

224 Conclusion sur les tests dynamiques 96

23 Tests pseudo statique de stabiliteacute thermique de lrsquoHVJC 96




234 Conclusion sur les tests pseudo-statiques 99

24 Tests statiques de stabiliteacute thermique de lrsquoHVJC 100

3 Conclusion 102

CHAPITRE IV EacuteLABORATION DE MATERIAUX DE STOCKAGE A PARTIR DES

CENDRES DE FOYER DE LA LATERITE ET DE LA CHAUX ETEINTE 104

Introduction 105

1 Eacutelaboration des ceacuteramiques 106

11 Eacutelaboration par deacutevitrification ou nucleacuteation-croissance 106

12 Eacutelaboration par frittage 107

13 Eacutelaboration par la voie laquo peacutetrurgiqueraquo 107

14 Choix de la meacutethode drsquoeacutelaboration 108

2 Eacutelaboration de mateacuteriaux agrave partir de matiegravere premiegravere unique Lateacuterite et Cendres de foyers 109

21 Eacutelaboration de mateacuteriaux agrave partir de lateacuterite 109

211 Eacutelaboration par traitement thermique de recuit des blocs de lateacuterite 110

2111 Protocole expeacuterimental 110

2112 Analyse des eacutechantillons apregraves traitement 111

2113 Caracteacuterisation structurale des lateacuterites traiteacutees 112

2114 Analyse morphologique et chimique des lateacuterites traiteacutees 114

2115 Conclusion sur le traitement thermique de la lateacuterite 115

212 Eacutelaboration par vitrification-cristallisation des poudres de lateacuterite 116


2122 Caracteacuterisation structurale des eacutechantillons traiteacutes 118

2123 Analyse morphologique des eacutechantillons traiteacutes 119

2124 Comportement thermique des eacutechantillons traiteacutes 121

22 Eacutelaboration de mateacuteriaux agrave partir de cendre de foyer de SONICHAR 122


2212 Caracteacuterisation structurale des cendres de foyer traiteacutees 123

2213 Comportement thermique des macircchefers traiteacutes 124

23 Conclusion sur les mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de matiegravere premiegravere unique 125

3 Eacutelaboration de mateacuteriaux composites agrave partir de meacutelanges de ressources Lateacuterite Cendres de foyer et

chaux 126

31 Inteacuterecirct de lrsquoutilisation de la chaux de BIG 126

0 ix

32 Eacutelaboration de mateacuteriaux agrave partir de meacutelange de lateacuterite et de la chaux de BIG 127

321 Approche et protocole expeacuterimental 127

322 Effet de lrsquoajout de chaux sur la tempeacuterature de fusion des lateacuterites 128


324 Analyse morphologiques des mateacuteriaux eacutelaboreacutes 130

325 Comportement thermique des lateacuterites traiteacutees 131

33 Eacutelaboration agrave partir de meacutelange de cendre de foyer et de la chaux de BIG 133


332 Caracteacuterisation structurale par des eacutechantillons traiteacutes 134

333 Analyse morphologique des mateacuteriaux eacutelaboreacutes 135


34 Eacutelaboration de mateacuteriaux agrave partir de meacutelange lateacuterite et macircchefers 137

341 Approche et protocole expeacuterimental drsquoeacutelaboration agrave partir de meacutelanges de la lateacuterite de la premiegravere

couche et des cendres de foyer 137

342 Caracteacuterisation structurale des ceacuteramiques eacutelaboreacutees agrave partir de meacutelanges de la lateacuterite de la

premiegravere couche et des cendres de foyer 138

343 Analyse morphologique des ceacuteramiques eacutelaboreacutees agrave partir de meacutelanges de lateacuterite de la premiegravere


344 Comportement thermique de la ceacuteramique eacutelaboreacutee agrave partir de meacutelanges de lateacuterite de la premiegravere


4 Potentiel des mateacuteriaux eacutelaboreacutes pour le stockage thermique Comparaison aux mateacuteriaux conventionnels

140

5 Vers une eacutelaboration agrave plus grande eacutechelle 144

51 Eacutelaboration par la meacutethode petrurgique agrave moyenne eacutechelle 144

511 Mateacuteriel et meacutethode 144

512 Reacutesultats et discussion 145

52 Eacutelaboration de module de stockage par la meacutethode peacutetrurgique 147

6 Conclusion 150

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES 153

BIBLIOGRAPHIE 158

Nomenclature 172

Liste des tableaux 173

Liste des figures 174

Annexes 178

0 1

Introduction geacuteneacuterale

0 2

Lrsquoaccegraves agrave lrsquoeacutenergie est un composant essentiel du deacuteveloppement eacuteconomique social et

politique drsquoun pays [1] Or le continent africain est le plus marqueacute par la pauvreteacute eacutenergeacutetique En

effet pregraves de 70 des populations africaines vivent en zones rurales avec un taux drsquoaccegraves aux

services eacutenergeacutetiques modernes relativement faible Comme on peut le remarquer sur la Figure

0-1 le taux drsquoeacutelectrification nrsquoest que de 35 en Afrique subsaharienne [2] compareacute agrave 99 en

Afrique du Nord Cette situation est particuliegraverement accentueacutee dans les zones rurales drsquoAfrique

subsaharienne ougrave plus de 80 des personnes vivent sans accegraves agrave leacutelectriciteacute [2]

Figure 0-1 Taux drsquoaccegraves et population sans accegraves agrave lrsquoeacutelectriciteacute en Afrique (WEO 2015) [2]

LrsquoAfrique de lOuest connait de grandes dispariteacutes territoriales concernant le taux drsquoaccegraves agrave

lrsquoeacutelectriciteacute il varie de moins de 20 au Burkina Faso agrave plus de 50 au Seacuteneacutegal et au-dessus de

70 au Ghana [2] Malgreacute les efforts consentis par les gouvernements cela reste globalement tregraves

insuffisant et des efforts suppleacutementaires sont encore neacutecessaires pour une meilleure couverture

eacutenergeacutetique

Bien que la part globale des produits peacutetroliers dans le bilan eacutenergeacutetique de la Communauteacute

Economique des Eacutetats de lAfrique de lOuest (CEDEAO) reste modeste la consommation

deacutenergie commerciale comme lrsquoeacutelectriciteacute reste tregraves deacutependante du peacutetrole En effet la

production deacutelectriciteacute dans cette reacutegion deacutepend agrave 60 des combustibles fossiles et donc du

peacutetrole [3] Ainsi le peacutetrole qui a atteint son pic de production va entamer sa phase de

deacutecroissance ce qui risque drsquoengendrer une flambeacutee des prix Cette phase drsquoinstabiliteacute des prix

srsquoaccompagnant eacutegalement par la deacutegradation irreacuteversible de lrsquoenvironnement lieacutee agrave la

combustion de cette eacutenergie fossile Ce qui pourrait consideacuterablement entraver lrsquoessor

eacuteconomique et lrsquoautonomie eacutenergeacutetique des pays de lrsquoAfrique de lrsquoOuest Dans un rapport publieacute

par lrsquoAgence Internationale de lrsquoEacutenergie (AIE) avant la Confeacuterence de Paris de 2015 sur le climat

(COP21) la production et lutilisation deacutenergie comptent pour pregraves de deux tiers des eacutemissions de

gaz agrave effet de serre (GES) dans le monde [2] Or en Afrique de lrsquoOuest la plupart des pays ont

0 3

une faible consommation moyenne deacutenergie eacutelectrique de 120 kWh par habitant compareacutee aux

moyennes continentales et mondiales respectivement de 529 et 2570 kWh par habitant [1]

Toutefois la population de ces pays ne cesse de croitre On estimait agrave 3346 millions drsquohabitants

la population de la CEDEAO en 2014 [4] qui devrait atteindre plus de 380 millions drsquoici 2020

Ainsi face agrave la croissance deacutemographique combineacutee aux besoins croissants en eacutenergie des

populations la forte utilisation de ces eacutenergies fossiles entraicircnera non seulement un deacuteregraveglement

climatique mais entravera aussi le deacuteveloppement eacuteconomique et lrsquoautonomie eacutenergeacutetique des

pays de lrsquoAfrique de lrsquoOuest de par la flambeacutee des prix du peacutetrole

Ces contraintes eacuteconomiques et environnementales lieacutees agrave lrsquoutilisation des eacutenergies fossiles

pour la production drsquoeacutelectriciteacute amegravenent ces pays agrave srsquoorienter vers drsquoautres alternatives comme les

eacutenergies renouvelables Un des trois piliers de lrsquoinitiative Eacutenergie Durable Pour Tous (SE4ALL)

du Secreacutetaire Geacuteneacuteral des Nations Unies vise le doublement de la part des eacutenergies renouvelables

dans le mix eacutenergeacutetique mondial agrave lrsquohorizon 2030 afin de passer agrave 30 du mix eacutenergeacutetique

mondial [5] En Afrique la contribution des eacutenergies renouvelables dans la production

drsquoeacutelectriciteacute est principalement due agrave lrsquohydraulique dont le potentiel nrsquoest pas eacutequitablement

distribueacute [6] Dans cet ordre drsquoideacutee les technologies comme les centrales solaires agrave concentration

peuvent jouer un rocircle majeur dans la croissance programmeacutee des eacutenergies renouvelables

Avec un taux drsquoeacutemission de gaz agrave effet de serre (GES) compris entre 136 et 202 g CO2

kWh-1

[7] le CSP est lrsquoune des technologies les moins eacutemettrices de GES On estime le temps

neacutecessaire pour compenser lrsquoeacutenergie totale consommeacutee neacutecessaire agrave la fabrication le transport et

le recyclage des composants ainsi que la construction de la centrale CSP infeacuterieur agrave 2 ans Ce

taux est loin derriegravere celui des centrales agrave charbon (9753 g CO2 kWh-1

) et les centrales agrave gaz

(7421 g CO2 kWh-1

) Selon lrsquoAIE [8] le solaire agrave concentration est une technologie dont le

potentiel de deacuteveloppement ne cesse de croitre et pourrait repreacutesenter plus de 10 du mix

eacutenergeacutetique mondial drsquoici 2050 (Figure 0-2)

Figure 0-2 Eacutevolution projeteacutee de la production drsquoeacutelectriciteacute par la technologie CSP drsquoici 2050 [8]

La capaciteacute mondiale de production drsquoeacutelectriciteacute devrait atteindre 260 GW dici 2030 pour arriver

agrave 980 GW en 2050 Selon ces projections en 2050 le Moyen-Orient sera en premiegravere position en

ce qui concerne la part de la technologie CSP dans la production deacutelectriciteacute par reacutegion suivie de

0 4

lAfrique Toutefois il faut souligner que ces projections ne prennent pas en compte les centrales

CSP de petites tailles allant de 100 kW agrave quelques MW Les systegravemes hors reacuteseau ou inteacutegreacutes aux

mini-reacuteseaux nont pas eacuteteacute inclus dans le modegravele Il existe tregraves peu de retours dexpeacuterience

industrielle de tels systegravemes pour eacutetablir des hypothegraveses sur les coucircts Cependant si ces types de

systegravemes integravegrent un stockage ils devraient pouvoir concurrencer les systegravemes photovoltaiumlques

avec le stockage en site isoleacute [8] Par contre les compeacutetences locales pour lentretien et la gestion

peuvent ecirctre des contraintes majeures dans les zones eacuteloigneacutees hors reacuteseau Neacuteanmoins cette

approche semble prometteuse surtout dans les zones rurales ougrave les taux drsquoaccegraves agrave eacutelectriciteacute sont

les plus faibles

Au-delagrave de lrsquoabondance de la ressource que lon peut appreacutehender sur la Figure 0-3-a on

peut constater sa disponibiliteacute et sa reacutepartition Les zones les plus adapteacutees pour lrsquoimplantation de

centrales solaires se situent entre 35deg Sud et 35deg Nord pour laquelle lrsquoensoleillement est le plus

favorable (DNIge 2000 kWh m-2

an-1

)

Figure 0-3 a) Reacutegions du monde adapteacutees pour lrsquoimplantation des CSP (adapteacutee de [9]) b) zones

adapteacutees pour lrsquoimplantation des CSP dans lrsquoespace CEDEAO (Afrique de lrsquoOuest) adapteacutee de [10]

Au vu de la distribution spatiale de la ressource et de son potentiel de mise en œuvre on

peut aiseacutement envisager lrsquoabsence de conflit drsquousage De faccedilon plus speacutecifique la Figure 0-3-b

illustre bien le potentiel drsquoimplantation des technologies CSP en Afrique de lrsquoOuest Les

principaux critegraveres permettant lrsquoestimation du potentiel dinstallation des CSP doit tenir compte en

plus de lrsquoensoleillement direct dautres paramegravetres eacutegalement importants tels que la disponibiliteacute

des terres la pente du terrain la disponibiliteacute de la ressource en eau et la distance aux lignes de

transport [10] En consideacuterant seulement 1 de la superficie approprieacutee avec un ensoleillement

direct normal supeacuterieur agrave 5 kWhmiddotm-sup2middotjour

-1 Ramde [10] montre dans sa thegravese que la capaciteacute

nominale potentielle de CSP en Afrique de lrsquoOuest est de 213 GW pour la technologie cylindro-

parabolique Cela deacutepasse largement la demande deacutelectriciteacute preacutevue de 17 GW en 2023 pour la

reacutegion [3] La zone au potentiel le plus eacuteleveacute mise en eacutevidence en vert fonceacute sur la Figure 0-3-b et

est comprise entre Agadez et Arlit dans le nord du Niger Cette reacutegion se situe dans le deacutesert du

Sahara ougrave la technologie CSP agrave petite eacutechelle pourrait ecirctre deacuteveloppeacutee Le solaire agrave concentration

b)a)

Potentiel eacuteleveacute

Potentiel moyen

Potentiel faible

0 5

peut donc ecirctre envisageacute pour les pays de lrsquoAfrique de lrsquoOuest comme une technologie cleacute pour la

production drsquoeacutelectriciteacute en raison de son potentiel pour reacutepondre agrave ses besoins eacutenergeacutetiques

Lrsquoun des deacutefis majeurs de ce projet est la reacuteduction du coucirct drsquoinvestissement par la

valorisation et lrsquoutilisation des mateacuteriaux locaux et agrave faibles coucircts Lrsquoun des avantages du CSP est

le systegraveme de stockage thermique (TES) qui permet de reacutepondre aux contraintes lieacutees agrave

lrsquointermittence de la ressource et agrave la variation de la demande En tant que partie inteacutegrante des

centrales CSP le TES neacutecessite parfois des quantiteacutes importantes de mateacuteriau de stockage de

lrsquoeacutenergie thermique (TESM) Agrave titre drsquoexemple la centrale Andasol 1 de 50 MWe en Espagne

neacutecessite 28 500 t de sels fondus [11] La technologie de stockage actuellement mature est baseacutee

sur les sels fondus dont les limites en terme de disponibiliteacute les contraintes technico-eacuteconomiques

et particuliegraverement environnementales rendent difficiles sont utilisation Dans ce contexte les

mateacuteriaux et les technologies de stockage conventionnels constituent un goulot deacutetranglement

La question qui se pose agrave nous ici est la suivante quels mateacuteriaux de stockage de la chaleur

pour les CSP en Afrique Crsquoest pour reacutepondre agrave cette question que ces travaux de thegravese ont eacuteteacute

initieacutes avec pour objectif principal de deacutevelopper des mateacuteriaux de stockage adapteacutes aux reacutealiteacutes

de la sous-reacutegion La deacutemarche adopteacutee afin de reacutepondre agrave cette question est qursquoil est

indispensable dans un premier temps drsquoidentifier et de caracteacuteriser les candidats potentiels

disponibles localement En drsquoautres termes il faudra choisir des mateacuteriaux dont les coucircts et les

caracteacuteristiques initiaux correspondent aux normes en la matiegravere Par la suite nos travaux seront

essentiellement orienteacutes vers lrsquoeacutelaboration des mateacuteriaux ceacuteramiques agrave partir des ressources

choisies De plus les mateacuteriaux liquides peuvent eacutegalement ecirctre envisageacutes comme mateacuteriaux de

stockage Les diffeacuterentes possibiliteacutes seront donc deacuteveloppeacutees lhuile de Jatropha eacutetant

particuliegraverement eacutetudieacutee

Ce travail srsquoinscrit dans la continuiteacute des travaux de thegravese meneacutes depuis 2009 au laboratoire

PROMES [12ndash16] Cette thegravese vise agrave contribuer et agrave compleacuteter le concept de valorisation de

ressources issues de deacutechets des roches et des huiles veacutegeacutetales pour des applications dans les CSP

dans le contexte Ouest Africain Outre cet objectif de stockage la valorisation des deacutechets

industriels preacutesente drsquoimportants avantages environnementaux eacuteconomiques et sociaux Cela

devrait permettre la reacuteduction des quantiteacutes de deacutechets mis en deacutecharges et par la mecircme occasion

les eacutemissions des gaz agrave effet de serre (GES) induits

Ce rapport de thegravese est structureacute en quatre chapitres

- Le premier chapitre fait une synthegravese des mateacuteriaux de stockage conventionnels et

alternatifs et preacutesente les principaux enjeux de leurs eacutelaborations ainsi que de leurs

utilisations

- Le deuxiegraveme chapitre est axeacute sur lrsquoidentification et la caracteacuterisation des ressources

locales

- Le troisiegraveme chapitre est consacreacute agrave lrsquoeacutetude expeacuterimentale de la stabiliteacute thermique de

lrsquohuile de Jatropha comme mateacuteriau de stockage ou fluide de transfert de la chaleur

- Le quatriegraveme chapitre preacutesente les ceacuteramiques eacutelaboreacutees agrave partir des ressources issues des

roches ou des deacutechets industriels

Chapitre I 1

Chapitre I Synthegravese bibliographique

Chapitre I 2

Introduction

Le deacuteveloppement durable du continent africain et en particulier celui de lrsquoAfrique de

lrsquoOuest passe par lrsquoeacutelectrification de son territoire et une production drsquoeacutenergie respectueuse de

lrsquoenvironnement Cet enjeu drsquoeacutelectrification doit srsquoaccompagner du deacuteveloppement simultaneacute

drsquoactiviteacutes eacuteconomiques locales au travers de nouveaux marcheacutes pour lrsquoartisanat et lrsquoindustrie

locale

Si la technologie CSP est consideacutereacutee comme une des voies futures les plus prometteuses

pour une production durable de lrsquoeacutelectriciteacute en Afrique de lrsquoOuest lrsquointermittence de la ressource

solaire limite fortement son utilisation La nuit par exemple il parfois neacutecessaire de faire

intervenir drsquoautres sources drsquoeacutenergie pour la production drsquoeacutelectriciteacute drsquoune CSP Dans ces

conditions le stockage de la chaleur devient donc une solution pertinente Toutefois mecircme si les

principaux mateacuteriaux de stockage actuels ont montreacute un potentiel inteacuteressant leur disponibiliteacute et

leur coucirct ne permettent pas drsquoenvisager leur utilisation agrave long terme et ce particuliegraverement dans

les reacutegions comme celles de lrsquoAfrique de lrsquoOuest ougrave lrsquoapprovisionnement en mateacuteriau reste

difficile et coucircteux Une alternative consiste aujourdrsquohui agrave deacutevelopper des mateacuteriaux de stockage

de la chaleur agrave partir de mateacuteriaux naturels ou recycleacutes disponibles localement afin de proposer

une approche reacutealiste prenant en compte les nouvelles exigences environnementales sociales et

eacuteconomiques associeacutees

Dans ce chapitre nous preacutesentons briegravevement les principales technologies CSP et les enjeux

de leur adaptation dans le contexte Ouest Africain La suite du chapitre est consacreacutee agrave lrsquoeacutetat de

lrsquoart des mateacuteriaux et systegravemes conventionnels de stockage de la chaleur dans les CSP Enfin nous

nous appesantissons sur les mateacuteriaux alternatifs avant de conclure sur les objectifs et les reacutesultats

attendus de ces travaux de recherche

Chapitre I 3

1 Technologies de production drsquoeacutelectriciteacute par voie solaire

concentreacutee

11 Vue drsquoensemble des centrales thermodynamiques agrave concentration

Une explication bregraveve du fonctionnement de lrsquoeacutevolution et de la projection des centrales

solaires agrave concentration est preacutesenteacutee dans cette partie Elle peut ecirctre compleacuteteacutee par les donneacutees

disponibles dans la litteacuterature [17]

Les technologies CSP sont des centrales de production drsquoeacutelectriciteacute pour lesquelles la

production de chaleur par des mateacuteriaux habituellement drsquoorigine fossile est remplaceacutee par un

concentrateur drsquoorigine solaire Elles consistent agrave faire converger agrave partir des miroirs du champ

solaire le rayonnement solaire direct concentreacute vers un reacutecepteur Il faut toutefois noter que la

concentration peut ecirctre soit ponctuelle comme crsquoest le cas dans la Figure I-1 soit lineacuteaire

Lrsquoeacutenergie concentreacutee au reacutecepteur permet de chauffer un fluide caloporteur qui par la suite va

transfeacuterer sa chaleur agrave la boucle thermodynamique

Figure I-1 Processus de transformation de la chaleur du soleil en eacutelectriciteacute par voie

thermodynamique adapteacute de (ADEME 2012)

La chaleur geacuteneacutereacutee est ensuite utiliseacutee comme dans une centrale thermique conventionnelle pour

produire de lrsquoeacutelectriciteacute via une turbine (agrave vapeur agrave gaz) ou un moteur de Stirling Les premiegraveres

centrales commerciales ont fonctionneacute en Californie (Etats-Unis) de 1984 agrave 1991 De nos jours

certaines des plus grandes installations sont toujours situeacutees aux Etats-Unis dans le deacutesert de

Mojave en Californie et au Nevada Les exemples les plus remarquables sont la centrale

dIvanpah (377 MW) linstallation Generating Systems (354 MW) et celle du Croissant-Dunes

(110 MW) En Espagne les exemples remarquables sont Solnova station Solar Power

(150 MW) les centrales Andasol (150 MW) et Extresol (100 MW) Une liste de quelques

centrales CSP dans le monde avec leurs caracteacuteristiques est donneacutee en Annexe I

12 Les diffeacuterentes technologies CSP

Du processus de transformation du rayonnement solaire en eacutelectriciteacute naissent plusieurs

filiegraveres de transformations Un aperccedilu des diffeacuterentes technologies est preacutesenteacute sur la Figure I-2

Chaleur haute

tempeacuterature

Electriciteacute

Chaleur basse

tempeacuterature

ConversionChaleur

CollecteurFlux

solaireConcentrateur Reacutecepteur

Stockage thermique

2 Production de chaleur

3 Production de chaleur et ou drsquoeacutelectriciteacute

1 Captation du flux solaire

Rendement chaleureacutelectriciteacuteRendement soleil chaleur

Chapitre I 4

Figure I-2 Diffeacuterentes technologies CSP et les ratios drsquoinstallations associeacutes en 2015 (adapteacute de

[18])

Les centrales cylindro-paraboliques

Ce type de centrale domine le marcheacute des CSP avec plus de 95 des installations

industrielles dans le monde [18] Dans cette technologie (Figure I-2) le champ de capteurs est

constitueacute de reacuteflecteurs cylindro-paraboliques reacutefleacutechissant le rayonnement solaire vers un tube

reacutecepteur sous vide parcouru par le fluide caloporteur (huile de synthegravese sels fondus ou vapeur

surchauffeacutee) chauffeacute agrave moyenne tempeacuterature (350-550 degC) Le facteur de concentration varie entre

50 et 90 Le standard mondial pour cette technologie est la centrale Andasol I en Espagne qui

fournit 50 MWelec Crsquoest sur ce mecircme principe qursquoa eacuteteacute construite au Maroc en 2015 la plus

grande centrale CSP drsquoAfrique deacutenommeacutee Noor (I II et III) ayant une capaciteacute globale de

160 MW [19]

Les centrales agrave miroir de Fresnel

Parallegravelement aux systegravemes cylindro-paraboliques la technologie lineacuteaire de Fresnel fait lrsquoobjet

drsquoun deacuteveloppement prometteur au regard des nombreuses eacutetudes meneacutees [20ndash23] Agrave la diffeacuterence

des capteurs cylindro-paraboliques lrsquoabsorbeur nrsquoest pas mobile (Figure I-2) Les niveaux de

tempeacuterature sont geacuteneacuteralement infeacuterieurs agrave 370 degC [20] Cette technologie a eacuteteacute deacuteveloppeacutee de

maniegravere agrave eacuteliminer certains inconveacutenients des capteurs cylindro-paraboliques en se basant sur la

reacuteduction des coucircts drsquoinstallation gracircce agrave des miroirs plans bon marcheacute sur une meilleure

occupation du sol (jusqursquoagrave 70 de couverture contre 30 agrave 35 pour les centrales cylindro-

paraboliques) et sur des miroirs qui en se deacuteplaccedilant agrave la mecircme vitesse angulaire permettent un

suivi moins coucircteux La version agrave reacuteflecteurs lineacuteaires compacts permettrait de produire une mecircme

quantiteacute drsquoeacutenergie que les concentrateurs cylindro-paraboliques [24] La centrale industrielle de

Puerto Errado 1 (PE 1) construite en 2009 drsquoune capaciteacute de 14 MW est la premiegravere du genre

Centrale agrave miroir de Fresnel

Absorbeur et concentrateurs

Miroirs

Reacuteflecteurs

Absorbeur

Conduites

Reacuteflecteur

Heacuteliostats

Centrale agrave tour

Reacutecepteurmachine

Centrale agrave concentrateur parabolique

Centrale cylindro-parabolique

Chapitre I 5

Malgreacute les avanceacutees de cette technologie elle reste encore limiteacutee par le rendement optique qui est

largement en dessous de celui des autres technologies (Tableau I-1)

Les centrales agrave concentrateur parabolique

Ce type de concentrateur est constitueacute dun reacuteflecteur de forme parabolique qui reacutefleacutechit le

rayonnement solaire sur un reacutecepteur monteacute sur le point focal (Figure I-2) Ce type de

concentration permet datteindre les facteurs de concentration les plus eacuteleveacutes allant de 1000 agrave

3000 et des tempeacuteratures de fonctionnement pouvant atteindre 1500 degC [24] La chaleur issue de

la concentration des rayons du soleil est convertie dans le moteur de Stirling en travail meacutecanique

pour produire de lrsquoeacutelectriciteacute Le rendement du moteur Stirling est drsquoenviron 30 alors que celui

de la parabole est de 15 En raison de son coucirct eacuteleveacute ce type de centrale est resteacute pour lrsquoinstant agrave

lrsquoeacutechelle expeacuterimentale

Les centrales agrave tour

Les centrales agrave tour utilisent un champ dheacuteliostats avec un suivi du soleil sur deux axes qui

reflegravetent et concentrent les rayons du soleil sur un reacutecepteur central placeacute dans le sommet dune

tour fixe (Figure I-2) Un des avantages majeurs de cette technologie est son facteur de

concentration qui est compris entre 60 et 1000 ce qui permet drsquoatteindre des tempeacuteratures et des

rendements plus eacuteleveacutes que celui des centrales agrave miroir de Fresnel et des centrales cylindro-

parabolique (Tableau I-1) Lrsquoutilisation de cycles combineacutes dans ce type de centrale permet

drsquoaugmenter le rendement global de la centrale Les centrales actuellement en construction ou en

fonctionnement atteignent des puissances allant de 10 agrave 110 MW voire 377 MW pour la centrale

Ivanpah en Californie [25] Dans le cadre du projet PEGASE [26] le laboratoire PROMES en

France reacutehabilite lrsquoancienne centrale THEMIS pour le deacuteveloppement drsquoune centrale agrave tour drsquoune

puissance de 25 MWth

13 Comparaison des diffeacuterentes technologies

Dans le Tableau I-1 une comparaison des diffeacuterentes technologies est preacutesenteacutee Les

centrales agrave tour repreacutesentent la deuxiegraveme technologie la plus mature et la prochaine alternative au

cylindro-parabolique [27] En ce qui concerne les coucircts lieacutes au deacuteveloppement des CSP les

centrales agrave tour et les centrales agrave concentrateur parabolique sont actuellement plus chegraveres bien que

les deacuteveloppements futurs et les ameacuteliorations modifient les projections du coucirct actualiseacute de

lrsquoeacutenergie eacutelectrique de ces centrales Le coucirct de lrsquoeacutenergie produite par la centrale agrave tour devrait

ecirctre la moins chegravere des technologies CSP dici 2020 [28]

Tableau I-1 Tableau comparatif des diffeacuterentes technologies CSP [29]

Cylindrop-

parabolique

Centrale agrave tour Reacuteflecteurs

lineacuteaires de

Fresnel

Centrale agrave

parabole de

Stirling

Capaciteacute (MW) 10ndash250 10ndash100 5ndash250 001ndash1

Tempeacuteratures de

fonctionnement (degC) 300ndash550 300ndash1200 150ndash400 300ndash1500

Facteur de

concentration solaire 50ndash90 60-1000 35-170 3000

Chapitre I 6

Pour ce qui est de loccupation du terrain compte tenu des derniegraveres ameacuteliorations des

technologies CSP la centrale agrave tour et la technologie lineacuteaire Fresnel neacutecessitent moins drsquoespace

que la technologie cylindro-parabolique pour produire une puissance donneacutee En ce qui concerne

les perspectives technologiques les centrales agrave tour preacutesentent des avanceacutees prometteuses avec la

mise au point de nouveaux fluides caloporteurs (air comprimeacute CO2 etc) et la reacutealisation de

tempeacuteratures plus eacuteleveacutees pour ameacuteliorer lefficaciteacute du cycle [27] De plus des rendements plus

eacuteleveacutes reacuteduisent la consommation deau de refroidissement (1500 l MWh-1

contre 3000 l MWh-1

dans les centrales cylindro-paraboliques Les tempeacuteratures eacuteleveacutees des centrales agrave tour peuvent

permettre de reacuteduire consideacuterablement les coucircts de stockage Drsquoautre part dans les centrales agrave

tour lensemble du systegraveme de tuyauterie est concentreacute dans la zone centrale de lusine ce qui

reacuteduit la taille du systegraveme et par conseacutequent les pertes deacutenergie les coucircts des mateacuteriaux et

dentretien Dans ces conditions les centrales agrave tour agrave partir de la technologie du sel fondu

pourraient ecirctre la meilleure alternative aux centrales solaires cylindro-paraboliques

14 Enjeux pour les CSP en Afrique de lrsquoOuest

Rendement solaire-

eacutelectrique () 10-16 10-22 08-12 16-29

Coucirct relatif Faible eacuteleveacute eacuteleveacute Tregraves eacuteleveacute

Cycle

thermodynamique

Turbine agrave vapeur Cycle agrave vapeur Cycle agrave vapeur Moteur Stirling

Cycle agrave vapeur

Cycle organique de

Rankine

Cycle de Bryton Cycle de

Brayton

Cycle de Bryton

Maturiteacute

commerciale

eacuteleveacutee Moyenne moyenne faible

Possibiliteacutes

drsquoameacutelioration

limiteacutee Tregraves importante Tregraves importante Tregraves grand

potentiel

Avantages

Long term proved

reliability and

durability

Haut rendement Structure simple

et facile agrave mettre

en œuvre

Tregraves haute

efficaciteacute

Composants

modulaires

Composants

modulaires

Composants

modulaires

Composants

modulaires

Compatible avec

les cycles combineacutes

Compatible avec


Hautes

tempeacuteratures de

fonctionnement

Compatible avec

les cycles

combineacutes

Limites

Faible rendement Important coucirct

drsquoinvestissement et

drsquoentretien

Faible

rendement

Pas de stockage

thermique

disponible

actuellement

Tempeacuterature de

fonctionnement

limiteacutee (400 degC)

Structure complexe

Besoin drsquoeau pour

le nettoyage des

miroirs et la

condensation

Tempeacuterature de

fonctionnement

limiteacutee

Faible maturiteacute


le nettoyage des

miroirs et la

condensation

Structure complexe Besoin drsquoeau pour

le nettoyage des

miroirs et la

condensation

Chapitre I 7

Malgreacute le deacuteveloppement que connait la technologie CSP en Europe et aux Etats Unis

drsquoAmeacuterique ces derniegraveres anneacutees sa mise en œuvre en Afrique subsaharienne particuliegraverement en

Afrique de lrsquoOuest reste confronteacutee agrave de nombreuses barriegraveres En effet les niveaux de puissance

des centrales CSP installeacutees dans le monde sont geacuteneacuteralement compris entre 10 et 110 MW

Partant du fait qursquoil est possible de lier le coucirct dinvestissement de la centrale agrave la puissance totale

installeacutee Flamant [30] montre que le coucirct actualiseacute de lrsquoeacutelectriciteacute pour la technologie cylindro-

parabolique deacutecroit avec lrsquoaugmentation de la puissance installeacutee Lauteur souligne le fait que le

coucirct actualiseacute de lrsquoeacutelectriciteacute qui est de 020 eurotimeskWh-1

pour une centrale cylindro-parabolique de

50 MW est consideacuterablement reacuteduit agrave 014 eurotimeskWh-1

pour une centrale de 250 MW de la mecircme

technologie Ainsi compte tenu du coucirct dinvestissement que requiert les CSP de grande taille

(Shams 1 [31] environ 575 millions deuros pour 100 MW en Arabie saoudite et Noor I [19]

environ 1 042 millions deuros pour 170 MW au Maroc) il est difficile pour les pays en

deacuteveloppement tels que ceux de lAfrique de lrsquoOuest dinvestir dans les centrales de telles tailles

De plus il existe un veacuteritable besoin didentification de la demande reacuteelle en eacutelectriciteacute des

populations afin doptimiser agrave leacutechelle locale le fonctionnement et linstallation des CSP En effet

pour de nombreuses reacutegions eacuteloigneacutees la puissance eacutelectrique requise est trop faible par rapport agrave

la puissance des centrales habituelles Ce faisant la mise en œuvre des CSP en Afrique de lrsquoOuest

neacutecessite le deacuteveloppement de technologies approprieacutees [3233] Drsquoapregraves un rapport publieacute en

2014 par laquo Practical Action raquo 55 de lrsquoeacutenergie suppleacutementaire produite dans le monde drsquoici 2030

sera issue de solutions laquo off-grid raquo et de types mini-reacuteseaux Cela est particuliegraverement vrai pour les

zones rurales ou les systegravemes deacutenergie deacutecentraliseacutes sont perccedilus comme eacutetant une des options les

plus pertinentes pour les systegravemes eacutenergeacutetiques [34] Ainsi la technologie devrait ecirctre adapteacutee aux

reacutealiteacutes locales des populations A la lumiegravere de ces faits des installations CSP de petite taille (de

10 agrave environ 100 kWe) peut ecirctre une solution approprieacutee pour les populations de lrsquoAfrique de

lrsquoOuest [35]

15 Le projet CSP4Africa

151 Preacutesentation du projet

CSP4Africa est un projet qui vise le deacuteveloppement drsquoun pilote eacuteconomiquement viable

drsquoune mini-CSP de production drsquoeacutelectriciteacute pour mini-reacuteseau [33] Afin drsquoy parvenir lrsquoutilisation

de mateacuteriaux locaux agrave faible coucirct et la valorisation des acteurs locaux doivent ecirctre privileacutegieacutees

Ainsi la conception est penseacutee de maniegravere agrave rendre possible la fabrication de la plupart des

composants par les compeacutetences locales et en utilisant des mateacuteriaux disponibles localement Le

projet est conccedilu speacutecialement pour reacutepondre aux questions eacutenergeacutetiques en zone rurale ou

peacuteriurbaine en Afrique subsaharienne Le champ solaire sera composeacute drsquoheacuteliostats de petite taille

Un cycle organique de Rankine (ORC) sera utiliseacute pour la production drsquoenviron 8 kW eacutelectriques

agrave partir de 100 kW thermique Lrsquoameacutelioration du champ solaire (classiquement 40 du coucirct des

centrales) lrsquoutilisation de la main-drsquoœuvre locale et la fabrication de certains composants

(reacutecepteur solaire heacuteliostat type de turbine etc) sont supposeacutees contribuer agrave la reacuteduction des

coucircts drsquoinvestissement et rendre ainsi le coucirct de lrsquoeacutelectriciteacute accessible aux populations rurales

152 Le cycle thermodynamique

La tempeacuterature de fonctionnement de la source chaude de la centrale eacutetant deacutefinie agrave 210 degC

la plage de fonctionnement choisie est fixeacutee entre 150 et 200 degC Pour ce niveau de tempeacuterature

Chapitre I 8

un cycle organique de Rankine (ORC) est suffisant pour transformer cette chaleur en eacutelectriciteacute

avec un rendement acceptable Le cycle organique de Rankine est un cycle thermodynamique

moteur qui se distingue du cycle de Rankine traditionnel par lrsquoutilisation drsquoun fluide de travail

organique de haute masse molaire en lieu et place de lrsquoeau Les fluides utiliseacutes dans les ORC sont

tregraves volatiles et ont une forte tension de vapeur Ce qui lui confegravere la capaciteacute de fonctionner agrave

basses et moyennes tempeacuteratures (le 300 degC) en fonction de la nature du fluide de travail [3637]

Les ORCs sont bien adapteacutes aux applications CSP de petites tailles [37] principalement en raison

de leurs capaciteacutes agrave reacutecupeacuterer la chaleur et sa possibiliteacute decirctre mis en œuvre dans les centrales

deacutecentraliseacutees de faible capaciteacute

153 Le systegraveme de stockage de la chaleur

Dans le cadre du projet CSP4Africa un stockage de production est envisageacute afin drsquoassurer

une protection de la turbine contre les variations brusques de puissance (fluctuations de la

ressource solaire) et une continuiteacute de service pendant les expeacuterimentations Un de stockage de

dureacutee plus longue est eacutegalement preacutevu pour la suite du projet Notre travail srsquoinscrit dans cet axe

de recherche et a pour objectif de proposer des mateacuteriaux de stockage de la chaleur adapteacutes aux

contraintes locales tout en prenant en compte les exigences en vigueur en la matiegravere Il est donc

question dans cette thegravese drsquoune part drsquoidentifier en Afrique de lrsquoOuest les mateacuteriaux de stockages

drsquointeacuterecircts pour le projet CSP4Africa et drsquoautre part drsquoeacutelaborer agrave partir de ces ressources quand cela

savegravere neacutecessaire des mateacuteriaux adapteacutes Ce travail de thegravese srsquoinscrit eacutegalement dans le

programme franccedilais laquoinvestissements pour lavenirraquo geacutereacute par lAgence Nationale pour la

Recherche et le projet europeacuteen EUROSUNMED

2 Le stockage de la chaleur appliqueacute aux CSP

Le mateacuteriau de stockage faisant partie inteacutegrante du systegraveme son choix passe

neacutecessairement par celui du systegraveme de stockage Par conseacutequent il est important de preacutesenter et

de discuter au preacutealable les diffeacuterents systegravemes de stockage de la chaleur utiliseacutes dans les CSP et

de ressortir ceux qui semblent les mieux adapteacutes au contexte de notre eacutetude

21 Inteacuterecirct des systegravemes de stockage thermique dans les CSP

Bien que certains composants principaux de la technologie CSP (champ reacutecepteurhellip) sont

reconnus aujourdhui comme matures la technologie est limiteacutee par le manque de systegraveme de

stockage adapteacute Le stockage deacutenergie thermique (TES) repreacutesente aujourdhui un axe essentiel de

la recherche pour le deacuteveloppement et loptimisation de la technologie CSP La plupart des

centrales actuellement en fonctionnement integravegrent un stockage thermique permettant notamment

drsquoallonger la dureacutee de production et donc de diminuer le coucirct de lrsquoeacutenergie produite

Un des principaux atouts des CSP est la possibiliteacute de stocker la chaleur ce qui est agrave priori

moins difficile et moins cher que les autres types de stockage En effet les systegravemes de stockage

thermiques inteacutegreacutes aux CSP sont moins coucircteux et plus efficaces (avec plus de 95 defficaciteacute

contre environ 80 pour la plupart des technologies concurrentes) que le stockage dans les

batteries et le stockage par pompage hydroeacutelectrique [838] En effet puisque le rayonnement est

drsquoabord converti en chaleur on peut directement stocker cette chaleur pour produire

ulteacuterieurement de lrsquoeacutelectriciteacute Ainsi les technologies de stockage de la chaleur deviennent des

Chapitre I 9

eacuteleacutements strateacutegiques et neacutecessaires pour lrsquoutilisation efficace des CSP Les TES sont aujourdhui

consideacutereacutes comme une partie inteacutegrante des centrales CSP qui contribuent agrave la reacuteduction des coucircts

de leacutelectriciteacute laugmentation de lefficaciteacute annuelle solaire agrave leacutelectriciteacute de la centrale (132

contre 124 sans stockage Ainsi leur inteacutegration dans la centrale devrait permettre datteindre un

coucirct moyen actualiseacute de leacutelectriciteacute (LCOE) de 6 c$middotkWh-1

preacutevu par lAIE en 2020 [8] Selon un

autre rapport publieacute par ESTELA en 2013 [39] il est neacutecessaire voire indispensable drsquoinclure la

probleacutematique du stockage de la chaleur dans les programmes de recherche pour les prochaines

anneacutees Les principales conclusions laissent envisager une reacuteduction des coucircts du stockage Le

coucirct de lrsquoeacutenergie produite par le systegraveme de stockage en 2010 eacutetait de 35000 euromiddotMWhth-1

Ce

mecircme coucirct est preacutevu agrave 15000 euromiddotMWhth-1

pour 2020 soit une baisse de plus de 50 en 10 ans Par

ailleurs la mecircme eacutetude envisage eacutegalement une ameacutelioration de lefficaciteacute effective du systegraveme

de stockage Ce dernier est deacutefini comme eacutetant le rapport entre lrsquoeacutenergie stockeacutee et lrsquoeacutenergie

restitueacutee agrave la boucle thermodynamique Ainsi drsquoune valeur de 94 en 2010 cet indicateur de

performance est estimeacute pouvoir atteindre 96 pour 2020 Maximiser la capaciteacute de stockage des

modegraveles existants devrait permettre de reacuteduire le coucirct de stockage speacutecifique Ce qui impliquerait

une reacuteduction du coucirct drsquoinvestissement des futures centrales Lrsquointeacutegration drsquoun stockage de 12 h

permettrait de reacuteduire le coucirct actualiseacute de lrsquoeacutelectriciteacute drsquoune centrale de type cylindro-parabolique

denviron 10 [40] Par conseacutequent les systegravemes de stockage ameacuteliorent non seulement la

flexibiliteacute des CSP mais contribuent eacutegalement agrave reacuteduire le coucirct de leacutelectriciteacute et peuvent donc

favoriser lintroduction sur le marcheacute de la technologie parabolique

Le systegraveme de stockage a pour objectif geacuteneacuteral de reacuteduire les effets causeacutes par

lrsquoindisponibiliteacute temporelle de la ressource en stockant leacutenergie solaire lorsque celle-ci est en

excegraves et en la restituant en fonction des besoins La variabiliteacute de la ressource solaire et de la

demande induit la notion drsquoeacutechelle de temps En fonction des objectifs deacutefinis et par rapport agrave la

dureacutee de stockage on retrouve le stockage de protection et le stockage de production

211 Stockage de protection

Les systegravemes agrave courte dureacutee (lt 1 h) sont geacuteneacuteralement des laquo stockages de protection raquo Leur

fonction principale est drsquoatteacutenuer les intermittences brusques de la source solaire afin de proteacuteger

lrsquoabsorbeur (reacutecepteur) des chocs thermiques violents En effet si lon prend lrsquoexemple du

reacutecepteur drsquoune centrale solaire agrave tour fonctionnant avec de lrsquoair agrave environ 750 degC la tempeacuterature

de lrsquoair agrave la sortie du reacutecepteur peut chuter jusqursquoagrave 300 degC en quelques minutes si le soleil est

masqueacute par un nuage Ainsi un stockage thermique inteacutegreacute au reacutecepteur permettra de proteacuteger le

reacutecepteur et drsquoallonger sa dureacutee de vie et ainsi maintenir la production constante Drsquoautre part

cela permet de diminuer le nombre de phases de deacutemarrage et drsquoarrecirct des turbines Les mateacuteriaux agrave

changement de phase tel que le carbonate de lithium (fusion agrave 723 degC) sont couramment utiliseacutes

Leur densiteacute eacutenergeacutetique permet de reacuteduire le volume et la masse du systegraveme de stockage Il est

toutefois neacutecessaire de mettre en place des ailettes en cuivre agrave lrsquointeacuterieur du stockage afin

drsquoameacuteliorer les transferts de chaleur et par lagrave la vitesse des transferts de chaleur

212 Stockage de production

Lrsquoeacutenergie solaire thermique eacutetant disponible uniquement pendant le jour son utilisation

neacutecessite un stockage de sorte que lexcegraves de chaleur collecteacutee pendant les heures

densoleillements puisse ecirctre stockeacute pour une utilisation ulteacuterieure (Figure I-3) Le stockage de

Chapitre I 10

production (de dureacutee gt 1 h) a pour objectifs drsquoeacutetaler la production drsquooptimiser le fonctionnement

de la centrale drsquoadapter la production agrave la demande drsquoaugmenter le facteur de capaciteacute de la

centrale La taille du stockage mesureacutee techniquement en GWhth est plus souvent exprimeacutee en

heures de fonctionnement de la centrale quand celle-ci est alimenteacutee par le stockage en reacutegime

nominal La taille optimale du stockage deacutepend du rocircle que les centrales sont censeacutees jouer Le

rendement du systegraveme de stockage thermique peut atteindre 98 en particulier lorsque le

mateacuteriau de stockage est eacutegalement utiliseacute comme fluide caloporteur [8]

Figure I-3 Utilisation du stockage thermique dans les CSP pour couvrir les besoins journaliers [8]

Afin drsquoassurer une continuiteacute de service certaines centrales CSP integravegrent un appoint dorigine

fossile Linteacutegration dun systegraveme de stockage de production permet daugmenter de ce fait la part

du solaire dans la production de reacuteduire la consommation de combustible fossile de ses centrales

et daugmenter ainsi la fraction solaire de la production (Tableau I-2) En deacutefinissant la fraction

solaire dune centrale CSP comme la part annuelle de fonctionnement de la centrale agrave partir de la

ressource solaire (eacutequivalant agrave un fonctionnement en pleine charge rapporteacutee agrave lrsquoanneacutee) [41] on

constate qursquoeffectivement sans stockage la fraction solaire est tregraves faible Par contre on passe de

13 agrave 56 de fraction solaire pour une centrale qui passe de 0 h agrave 15 h de stockage

Tableau I-2 Eacutevolution de la fraction solaire en fonction de la capaciteacute du systegraveme de stockage

Dureacutee de stockage 0 h 6 h 12 h 15 h

Fraction solaire () 13 agrave 277 [41ndash43] 40 [40] 55 [40] 57 [40] et 56 [44]

Cout du TES ($kWhth) - 32330 31180 31000

Lrsquointeacutegration de ce type de systegraveme de stockage permet de ce fait drsquoameacuteliorer la productiviteacute de la

centrale Toutefois mecircme si cela repreacutesente un investissement initial important le coucirct du

systegraveme ne varie pas de maniegravere significative en particulier pour des systegravemes de production de

plus de 6 h Les jours ougrave lrsquoensoleillement est tregraves eacuteleveacute la turbine peut fonctionner pendant

environ 12 h avec de lrsquoeacutenergie provenant directement du champ solaire Par conseacutequent le

stockage ne peut ecirctre utiliseacute que pendant les 12 h suppleacutementaires et le reacuteservoir chaud peut ne pas

ecirctre complegravetement deacutechargeacute Ainsi environ 20 de la capaciteacute de stockage peut ne pas ecirctre

utiliseacutee ce qui rend le systegraveme moins eacuteconomique Toutefois les centrales comme Gemasolar

permettant dassurer 15 h de production deacutelectriciteacute en pleine charge agrave partir du systegraveme de

stockage

DNI

Chaleur collecteacutee par le champ solaire

Electriciteacute produite

Chaleur provenant du

stockageChaleur stockeacutee

Pu

issa

nce

eacutele

ctri

qu

e (

MW

)

Pu

issa

nce

th

erm

iqu

e (M

W)

(D

NI W

msup2)

Temps (h)

Chapitre I 11

22 Modes de stockage de la chaleur dans les CSP

Le stockage de la chaleur se fait en exploitant les pheacutenomegravenes deacuteveloppeacutes au sein du mateacuteriau

sous lrsquoeffet de la variation de son eacutenergie interne par chauffage ou refroidissement Il en reacutesulte

donc diffeacuterentes formes de stockage

221 Stockage par chaleur sensible

Le stockage par chaleur sensible est le plus simple et le plus ancien des modes de stockage

Dans les systegravemes de stockage par chaleur sensible leacutenergie est stockeacutee puis libeacutereacutee par eacuteleacutevation

ou reacuteduction de la tempeacuterature du mateacuteriau de stockage solide ou liquide La quantiteacute deacutenergie

stockeacutee deacutepend de la masse du mateacuteriau de stockage (m) de la chaleur speacutecifique du mateacuteriau (Cp)

et de la variation de tempeacuterature (ΔT) et est deacutetermineacutee par lrsquoEquation (I-1)

Q = mtimesCPtimesΔT

(I-1)

Tous les TES actuellement installeacutes dans les centrales CSP utilisent des mateacuteriaux de stockage agrave

sensibles comme le sel fondu la vapeur la ceacuteramique et le graphite Une liste des mateacuteriaux de

stockage agrave chaleur sensible les plus utiliseacutes est donneacutee dans le Tableau I-3

Tableau I-3 Mateacuteriaux de stockage agrave chaleur sensible [45ndash47]

Cp

(((kJmiddotkg-1

middotK-1

)

ρ

(kgmiddotm-3

)

ρtimesCp

(kWhtmiddotm-3

)

(ΔT=100 K)

λ

(Wmiddotm-1

middotK-1

)

Coucirct

(euromiddotkg-1

)

Coucirct (eurokWhmiddott-1

)

(ΔT=100 K)

Mateacuteriaux liquides

Huile mineacuterale 200 300 26 770 5561 012 027 38 [45ndash47]

Huile

syntheacutetique 250 350 23 900 5750 011 271 424 [45ndash47]

Dowtherm A 15 400 22 867 5298 012 ndash ndash [4748]

Huile de

silicone 300 400 21 900 5250 01 452 774 [45ndash47]

Sels de nitrite 250 450 15 1 825 7604 057 090 217 [45ndash47]

Sodium liquide 270 530 13 850 3069 71 181 500 [45ndash47]

Sels de nitrate 265 565 16 1 870 8311 052 063 142 [49]

Sels de

carbonate 450 850 18 2 100 10500 2 217 433 [45ndash47]

Sel de lithium

liquide 180 1300 419 510 5936 381 ndash ndash [47]

Mateacuteriaux solides

Roches 200 300 13 1700 6139 1 014 38 [45ndash47]

Fonte 200 400 056 7 200 11200 37 090 581 [45ndash47]

Beacuteton armeacute 200 400 085 2 200 5194 15 005 19 [50]

NaCl (solide) 200 500 085 2160 5100 7 014 57 [45ndash47]

Acier mouleacute 200 700 06 7 800 13000 40 452 2709 [45ndash47]

Briques

reacutefractaires 200 700 1 1 820 5056 15 090 325 [45ndash47]

Ceacuteramiques

techniques 200 1200 115 3000 9583 5 181 565 [45ndash47]

Les mateacuteriaux liquides ont lrsquoavantage de pouvoir ecirctre utiliseacutes lorsque cela est possible agrave la fois

comme fluide de transfert et comme mateacuteriaux de stockage Avec un mateacuteriau solide le stockage a

Chapitre I 12

lieu dans un lit compact qui requiert un fluide caloporteur pour lrsquoeacutechange de chaleur Ce mode de

stockage est geacuteneacuteralement simple agrave mettre en œuvre et moins cher compareacute au coucirct du mateacuteriau

geacuteneacuteralement moins eacuteleveacute que celui des autres modes

221 Stockage par chaleur latente

Le stockage par chaleur latente consiste agrave exploiter la quantiteacute drsquoeacutenergie mise en œuvre

pendant le changement drsquoeacutetat drsquoun corps Le changement de phase solideliquide est le plus

souvent exploiteacute pour ce type de stockage Lrsquoeacutequation (I-2) deacutefinit la quantiteacute drsquoeacutenergie stockeacutee

dans un mateacuteriau agrave changement de phase

(I-2)

et sont les capaciteacutes calorifiques massiques en phase liquide et en phase solide

est lenthalpie de changement de phase liquidesolide

est la diffeacuterence de tempeacuteratures entre la tempeacuterature basse de stockages et la

tempeacuterature de changement de phase du mateacuteriau

est la diffeacuterence entre la tempeacuterature de changement de phase du mateacuteriau et la

tempeacuterature haute de stockage

Leacutenergie libeacutereacutee ou consommeacutee lors du changement de phase de ces mateacuteriaux est

geacuteneacuteralement 10 fois supeacuterieure agrave celle des mateacuteriaux agrave chaleur sensibles ce qui permet de reacuteduire

le volume de mateacuteriau de stockage neacutecessaire En revanche les technologies agrave utiliser pour le

transfert de chaleur et la seacutelection des mateacuteriaux sont plus complexes Plusieurs auteurs ont

identifieacute une grande varieacuteteacute de mateacuteriaux agrave changement de phase [51ndash53] Une liste non

exhaustive des mateacuteriaux agrave changement de phase les plus usiteacutes est donneacutee en Annexe III

222 Stockage thermochimique

Le stockage par voie thermochimique est baseacute sur un pheacutenomegravene physico-chimique

reacuteversible Ce mode de stockage se base sur lrsquoutilisation drsquoune chimie-sorption entre un gaz et un

solide drsquoune absorption ou une adsorption physique drsquoun gaz par un liquide ou un solide [54] Le

meacutecanisme du processus de stockage thermique par sorption ou par voie thermochimique peut ecirctre

deacutecrit par lrsquoEquation (I-3)

(I-3)

Pendant le processus la chaleur fournie au couple de sorption AB le dissocie en absorbant la

chaleur pour donner naissance agrave deux composeacutes A et B qursquoon peut stocker seacutepareacutement crsquoest le

pheacutenomegravene endothermique Lorsque ces deux produits sont mis en contact le pheacutenomegravene

exothermique se produit pour former agrave nouveau le composeacute AB en libeacuterant de la chaleur [55] Les

mateacuteriaux les plus en vue pour le stockage thermochimique sont preacutesenteacutes en Annexe II

223 Analyse des modes de stockage

Le stockage par chaleur latente offre des densiteacutes de stockage geacuteneacuteralement plus eacuteleveacutees que

le stockage par chaleur sensible En se basant sur les proprieacuteteacutes thermiques pour le choix du mode

SSLSLL TCpmhmTCpmQ

LCp SCp

LSh

LTΔ

STΔ

BAhAB

2

1

Chapitre I 13

de stockage et donc du mateacuteriau le stockage en chaleur sensible est lrsquooption la moins pertinente en

terme de densiteacute eacutenergeacutetique En effet les valeurs de densiteacute les plus eacuteleveacutees sont observeacutees pour

le stockage thermochimique Bien que le nombre drsquoapplications commerciales agrave base de mateacuteriaux

agrave changement de phase est actuellement tregraves limiteacute le stockage de chaleur latente preacutesente

plusieurs avantages par rapport au stockage par chaleur sensible Parmi eux on note une plus

grande densiteacute deacutenergie de stockage et une tempeacuterature de fonctionnement quasi constante

Cependant le stockage thermochimique et le stockage par chaleur latente sont encore agrave un stade

de deacuteveloppement peu avanceacute pour ecirctre envisageacute dans un stockage de masse

Le contexte particulier des pays de lrsquoAfrique de lrsquoOuest fait que si dautres paramegravetres tels

que le coucirct la complexiteacute du systegraveme la disponibiliteacute des mateacuteriaux sont eacutegalement agrave prendre en

compte le stockage par chaleur sensible se positionne alors comme une option plus adeacutequate

Ainsi malgreacute les quantiteacutes de matiegraveres importantes qui peuvent ecirctre mises en jeux par le stockage

par chaleur sensible celle-ci demeure la technologie la moins difficile agrave mettre en œuvre et est

depuis plusieurs anneacutees commercialiseacutee agrave lrsquoeacutechelle industrielle Au regard de ce qui suit si la

disponibiliteacute les aspects eacuteconomiques et environnementaux sont des critegraveres incontournables ces

mateacuteriaux deviennent attractifs surtout pour des utilisations dans les zones reculeacutees Crsquoest

pourquoi le stockage par chaleur sensible semble ecirctre le plus approprieacute Dans la suite nos eacutetudes

se focaliseront sur ce stockage drsquoeacutenergie thermique par chaleur sensible Des mateacuteriaux solides et

liquides seront envisageacutes pour les diffeacuterentes approches de systegravemes de stockage

23 Systegravemes de stockage par chaleur sensible dans les CSP

Dans le cas du stockage par chaleur sensible les principaux concepts de stockage qui

peuvent ecirctre mis en application comprennent le stockage actif et le stockage passif [45]

Dans un stockage actif le mateacuteriau de stockage est un fluide en mouvement dans le systegraveme

Le systegraveme de stockage actif se fait en geacuteneacuteral sur le concept agrave un reacuteservoir couramment appeleacute

thermocline ou sur le concept agrave deux reacuteservoirs [4556] Les reacuteservoirs de vapeur font eacutegalement

partie de ce type de systegraveme En geacuteneacuteral deux configurations peuvent ecirctre envisageacutees le systegraveme

actif direct et indirect Dans les systegravemes actifs directs le fluide de transfert de la chaleur est en

eacutegalement utiliseacute comme mateacuteriau de stockage Cela signifie que le mateacuteriau doit avoir en mecircme

temps les caracteacuteristiques dun bon HTF et drsquoun bon mateacuteriau de stockage Les mateacuteriaux

habituellement utiliseacutes dans les systegravemes actifs directs incluent les sels fondus les huiles

syntheacutetiques les huiles mineacuterales et la vapeur drsquoeau Concernant la vapeur elle est geacuteneacutereacutee

directement dans le reacutecepteur permettant ainsi de saffranchir dun fluide de transfert (huile sels

fondus) entre le champ solaire et le bloc de puissance Neacuteanmoins il est encore difficile de geacuterer

les phases de fonctionnement fortement transitoires et le deacutebit du fluide diphasique dans le

reacutecepteur [57] Dans les systegravemes actifs indirects le fluide de transfert de chaleur qui circule dans

le champ solaire est diffeacuterent de celui du support de stockage deacutenergie thermique [45] Parmi les

systegravemes indirects on retrouve les mecircmes systegravemes que dans les systegravemes actifs directs agrave la

diffeacuterence que la chaleur absorbeacutee par le fluide de transfert est transmise agrave travers un eacutechangeur de

chaleur au mateacuteriau de stockage Compareacutes aux systegravemes directs les systegravemes indirects permettent

de seacutelectionner un fluide de transfert et un meacutedia de stockage qui auront chacun les proprieacuteteacutes

physico-chimiques optimales pour leurs fonctions Ainsi le mateacuteriau de stockage peut avoir un

coucirct plus faible que le fluide de transfert [56]

Chapitre I 14

Dans un systegraveme passif un fluide de transfert de chaleur traverse les mateacuteriaux de stockage

seulement pour charger et deacutecharger Ainsi les mateacuteriaux de stockage sont statiques et ne se

deacuteplacent pas dans la centrale Les systegravemes passifs sont eacutegalement appeleacutes reacutegeacuteneacuterateurs Ces

systegravemes utilisent principalement des mateacuteriaux solides (beacuteton ceacuteramiques et roches) Dans le cas

de stockage agrave mateacuteriau solide comme le beacuteton leacutenergie du champ solaire est transfeacutereacutee agrave travers

le HTF au systegraveme de stockage Le mateacuteriau de stockage integravegre un eacutechangeur de chaleur agrave tubes

pour transfeacuterer leacutenergie thermique du HTF au mateacuteriau de stockage Le systegraveme de stockage

thermocline agrave mateacuteriaux filaires comme le stockage reacutegeacuteneacuteratif peut aussi ecirctre consideacutereacute comme

un systegraveme passif

Compte tenu du systegraveme de conversion thermodynamique (ORC) de la chaleur utiliseacute dans

le cadre du projet CSP4Africa dont le niveau de tempeacuterature est deacutefini agrave 210 degC les systegravemes de

stockage tels que ceux baseacutes sur de la vapeur drsquoeau sous pression ne sont pas envisageables Les

systegravemes de stockages reacutegeacuteneacuteratifs baseacutes sur le beacuteton et les ceacuteramiques industrielles sont

eacutenergeacutetivore et coucircteux Par ailleurs le ciment utiliseacute dans la formulation du beacuteton repreacutesente une

source importante drsquoeacutemission de CO2 comme crsquoest le cas pour lrsquoeacutelaboration des ceacuteramiques

industrielles Se faisant les systegravemes actifs agrave deux reacuteservoirs et les thermoclines semblent les

mieux reacutepondre au besoin de simpliciteacute exigeacute par le projet A la suite de ce qui preacutecegravede un

systegraveme de stockage direct agrave deux reacuteservoirs a eacuteteacute retenu pour le projet CSP4Africa en premier

lieu car il est plus facile agrave mettre en œuvre et est largement utiliseacute dans les centrales CSP

Toutefois le systegraveme thermocline offre lrsquoavantage de pouvoir reacuteduire jusqursquoagrave 33 du coucirct du

systegraveme [58ndash60] De ce fait il apparait donc neacutecessaire drsquoexaminer de pregraves ces systegravemes afin de

mettre en lumiegravere les contraintes de leurs utilisations

24 Quel systegraveme de stockage pour le projet CSP4Africa

241 Systegraveme de stockage agrave deux reacuteservoirs

Dans le systegraveme agrave deux reacuteservoirs le fluide sort de la cuve froide et circule dans le champ

solaire ou il accumule de lrsquoeacutenergie sous forme sensible par chauffage avant drsquoecirctre stockeacute dans le

reacuteservoir chaud (Figure I-4) En faisant circuler le fluide de la cuve chaude agrave la cuve froide cette

eacutenergie est ensuite restitueacutee au cycle thermodynamique Lutilisation de sels fondus comme HTF

et TESM en mecircme temps eacutelimine le besoin deacutechangeurs de chaleur tregraves coucircteux Lrsquoutilisation

drsquoun eacutechangeur de chaleur entre le champ solaire et le dispositif de stockage nrsquoest en effet pas

neacutecessaire [56] Lors drsquoune sollicitation en phase de deacutestockage ce type de systegraveme permet

drsquoobtenir une reacuteponse plus rapide que le systegraveme indirect Toutefois le mateacuteriau utiliseacute doit avoir

de bonnes proprieacuteteacutes physico-chimiques une bonne compatibiliteacute thermique avec les mateacuteriaux

environnants (conduite reacuteservoir) et ecirctres agrave la fois un bon fluide de transfert et un bon mateacuteriau

de stockage Cependant la densiteacute eacutenergeacutetique des fluides est geacuteneacuteralement infeacuterieure agrave

100 kWhmiddotm-3

et les quantiteacutes de mateacuteriaux deviennent donc importantes De plus le coucirct de ces

mateacuteriaux eacutetant de lrsquoordre de quelques euros voire dizaines drsquoeuros par kilogramme cela implique

un coucirct eacutenergeacutetique pouvant atteindre des dizaines de kWh Dans le cas particulier dune centrale

cylindro-parabolique de 50 MW les coucircts dinvestissement dun TES repreacutesentent environ 10 du

coucirct total de linstallation [40]

Chapitre I 15

Figure I-4 Scheacutema simplifieacute du systegraveme de stockage actif direct agrave deux reacuteservoirs dans une

centrale agrave tour

Linvestissement et les performances des TES deacutependent principalement du mateacuteriau de

stockage qui dans les technologies actuelles repreacutesente environ 50 du coucirct de lensemble du

TES [40] Drsquoautres mateacuteriaux comme les huiles syntheacutetiques sont eacutegalement envisageables dans

ce type de systegraveme de stockage Toutefois ces huiles sont plus coucircteuses que les sels fondus

Outre le caractegravere inflammable [61] des fluides utiliseacutes impliquant des mesures de seacutecuriteacute

drastiques [62] elles repreacutesentent un risque eacuteleveacute pour lrsquoenvironnement surtout en cas de fuite

Ces mateacuteriaux engendrent donc un surcoucirct lieacute agrave la gestion agrave la seacutecuriteacute et agrave lrsquoimpact

environnemental

Si la technologie CSP veut ecirctre compeacutetitive des efforts doivent ecirctre meneacutes pour reacuteduire les

coucircts du systegraveme de stockage et son impact sur lrsquoenvironnement Par ailleurs les mateacuteriaux

utiliseacutes devront ecirctre disponibles dans les reacutegions ou le systegraveme est implanteacute Les principaux

mateacuteriaux comme les huiles syntheacutetiques et les sels fondus ne peuvent pas ecirctre utiliseacutes dans leurs

conditions actuelles de deacuteveloppement Il est donc primordial drsquoutiliser des mateacuteriaux de stockage

adapteacutes agrave la fois au systegraveme agrave deux reacuteservoirs et agrave notre contexte Crsquoest dans cette perspective que

nous megravenerons nos premiegraveres investigations dans cette thegravese

242 Systegraveme de stockage thermocline

Les contraintes lieacutees aux quantiteacutes importantes de mateacuteriaux mis en jeu dans les systegravemes agrave deux

reacuteservoirs conduisent agrave deacutevelopper le systegraveme thermocline Cette approche eacutemergente testeacutee dans

les anneacutees 80 agrave lrsquoeacutechelle pilote permet de reacuteduire le coucirct du systegraveme de stockage en combinant le

reacuteservoir chaud et froid en un seul [58ndash60] Le fluide froid en provenance du bas du reacuteservoir

passe par le champ solaire en se reacutechauffant pour aller vers la partie haute et chaude du reacuteservoir

(Figure I-5) Par circulation du fluide de la partie chaude de la thermocline agrave la partie froide de la

thermocline lrsquoeacutenergie stockeacutee est ainsi transmise agrave la boucle de transformation thermodynamique

[63] Le nom thermocline provient drsquoune zone se deacuteplaccedilant axialement suivant les phases de

charge ou de deacutecharge et pouvant repreacutesenter jusqursquoagrave un tiers de la hauteur du reacuteservoir [58]

Chapitre I 16

Figure I-5 Scheacutema simplifieacute du systegraveme de stockage actif direct thermocline dans une centrale agrave

tour

Malgreacute les avantages de ce type de systegraveme un grand nombre de verrous sont encore agrave lever

La Figure I-6 deacutecrit en deacutetail le principe de fonctionnement du systegraveme thermocline En effet il

est plus difficile dans un seul reacuteservoir de seacuteparer le fluide chaud du froid Apregraves un certain temps

il y a homogeacuteneacuteisation en raison de la convection naturelle due aux forces de dilatation

Figure I-6 Principe de fonctionnement du stockage thermocline sur lit de mateacuteriaux filaires

(roches ceacuteramiqueshellip)

Toutefois le systegraveme thermocline preacutesente lrsquoavantage suppleacutementaire de permettre la reacuteduction du

volume de fluide par le remplacement drsquoune partie du fluide par des mateacuteriaux solides comme les

ceacuteramiques les roches ou le sable Ces derniers introduits dans le systegraveme peuvent repreacutesenter

jusqursquoagrave 80 du volume des fluides tregraves coucircteux comme les huiles syntheacutetiques ou les sels fondus

[64ndash66]

Lrsquoun des deacutefis majeurs du projet CSP4Africa est la reacuteduction du coucirct drsquoinvestissement par

valorisation et utilisation des mateacuteriaux locaux disponibles et agrave faibles coucircts Se faisant un des

principaux arguments qui justifie lrsquoutilisation du stockage thermocline sur lit de mateacuteriaux filaire

est son coucirct par rapport au systegraveme de stockage agrave deux reacuteservoirs Lrsquoutilisation de mateacuteriaux

filaires peu coucircteux en comparaison aux HTF classiquement utiliseacutes assure un second gain

eacuteconomique

EntreacuteeSortie

Reacuteservoir

Isolant

EntreacuteeSortie

Thermocline

Chapitre I 17

3 Contraintes lieacutees agrave lrsquoutilisation des mateacuteriaux de

stockage conventionnels dans le systegraveme agrave deux reacuteservoirs et

le systegraveme thermocline

31 Les huiles thermiques

Les huiles hautes tempeacuteratures sont largement utiliseacutees dans de nombreuses applications y

compris CSP Les huiles mineacuterales les huiles silicones et les huiles syntheacutetiques ont eacuteteacute les plus

utiliseacutees comme HTF dans les applications agrave haute tempeacuterature [67] Initialement dans les CSP

lrsquohuile avait eacuteteacute utiliseacutee comme TESM dans le but de limiter les effets de la haute pression et les

pheacutenomegravenes de changement de phase dus agrave lrsquoutilisation de lrsquoeau Les huiles mineacuterales les huiles

silicones et syntheacutetiques ont eacuteteacute testeacutees et utiliseacutees dans les applications CSP Une liste de

quelques centrales solaires utilisant les huiles thermiques comme HTF ou TESM est donneacutee dans

de reacutecentes revues [1868] certaines sont preacutesenteacutees dans le Tableau I-3

Les huiles thermiques sont principalement utiliseacutees en raison de leur efficaciteacute et de leur

taux de transfert de chaleur tregraves eacuteleveacute Ces huiles offrent un point de solidification tregraves faible

(12 degC) parmi les HTF disponibles Pratiquement toutes les centrales CSP industrielles agrave ce jour

utilisent des huiles syntheacutetiques comme HTF Les huiles syntheacutetiques les plus eacutetudieacutees et utiliseacutees

pour les CSP sont Therminol VP-1 Dowtherm A et 800 Syltherm [69] Les fluides

Therminol VP-1 et Dowtherm A sont des huiles syntheacutetiques composeacutees dun meacutelange eutectique

organique doxyde de dipheacutenyle et doxyde de dipheacutenyle tandis que Syltherm 800 est une huile de

silicone composeacutee de dimeacutethylpolysiloxane Une des premiegraveres centrales CSP utilisant de lrsquohuile

comme HTF et TESM eacutetait SEGS (SEGS I) construite en 1984 Cette installation utilisait lrsquohuile

mineacuterale appeleacutee Caloria speacutecialement conccedilue pour cette application Elle a eacuteteacute utiliseacutee dans un

systegraveme de stockage thermique agrave deux reacuteservoirs entre 240 degC et 307 degC [7071]

Malheureusement du fait de de la pression de vapeur eacuteleveacutee (jusquagrave 10 bars) de lhuile qui

implique des coucircts importants pour la reacutealisation des reacuteservoirs sous pression du coucirct eacuteleveacute de

linvestissement de lhuile Caloria qui repreacutesente 42 du coucirct dinvestissement de laspect

dangereux de lhuile tregraves inflammable aucun des systegravemes de stockage similaires nrsquoa eacuteteacute reproduit

agrave la suite de la centrale SEGS En outre il est eacutegalement crucial de remarquer que le systegraveme de

stockage de SEGS a connu un incendie Pour toutes ces raisons les huiles thermiques syntheacutetiques

ont par la suite eacuteteacute deacuteveloppeacutees et utiliseacutees comme HTF dans les CSP

Aujourdhui Therminol VP-1 et Dowtherm A sont les HTF les plus couramment utiliseacutes

Therminol VP-1 a eacuteteacute utiliseacute dans les centrales SEGS III de Mojave et le fluide Dowtherm A a eacuteteacute

utiliseacute dans la centrale Nevada Solar One situeacute dans la ville de Boulder [18] Actuellement

plusieurs centrales CSP fonctionnent avec de loxyde bipheacutenyledipheacutenyle presque toutes situeacutees

en Espagne [18] Bien que lutilisation extensive des huiles ait eacuteteacute deacutemontreacutee dans des applications

agrave grande eacutechelle ces fluides preacutesentent un certain nombre dinconveacutenients une faible tempeacuterature

de deacutecomposition une faible densiteacute une forte inflammabiliteacute une pression de vapeur eacuteleveacutee un

coucirct eacuteleveacute et une forte deacutegradation thermique [71] Pour ce dernier point les huiles syntheacutetiques

sont tregraves souvent utiliseacutees agrave des tempeacuteratures proches du point de craquage dans le but drsquoameacuteliorer

la production de la centrale conduisant agrave une deacutegradation plus rapide Ainsi les hydrocarbures

aromatiques tels que le benzegravene qui est un composeacute volatil impactant neacutegativement

Chapitre I 18

lrsquoenvironnement [7273] sont les produits de deacutecomposition thermique des huiles composeacutees de

loxyde bipheacutenyledipheacutenyle [7273] La persistance de ces produits dans lenvironnement agrave la suite

dun rejet peut aller jusquagrave 5 ans Selon une analyse reacutecente du cycle de vie des CSP de type

cylindro-paraboliques [74] la contribution des huiles syntheacutetiques est denviron 22 de

lensemble des eacutemissions de gaz agrave effet de serre drsquoune centrale Eacutetant donneacute que les eacutemissions de

gaz agrave effet de serre sont largement proportionnelles agrave la consommation deacutenergie lrsquohuile

syntheacutetique contribue de maniegravere significative agrave la phase de fabrication agrave pendant la phase de

fabrication agrave cette consommation Les principaux contributeurs de cette consommation sont la

consommation deacutelectriciteacute la combustion de gaz naturel et la fabrication de composant pour le

remplacement Ainsi les huiles syntheacutetiques contribuent agrave hauteur drsquoenviron 20 aux besoins

cumuleacutes en eacutenergie de la centrale CSP sur sa dureacutee de vie Ces besoins prennent en compte

lrsquoeacutenergie pour la fabrication le transport et le remplacement des composants Par conseacutequent

lhuile reste un contributeur majeur (21-23) de limpact environnemental des centrales CSP

32 Les sels fondus

Les sels fondus sont largement utiliseacutes en raison de leur tempeacuterature de fonctionnement

eacuteleveacutee (approximativement 560 degC) leur capaciteacute thermique eacuteleveacutee et leur coucirct plutocirct faible [75ndash

77] Les sels commerciaux les plus utiliseacutes dans les CSP comprennent le sel solaire (60 NaNO3

40 KNO3) HITEC (53 KNO3 40NaNO2 7NaNO3) et HITEC XL (48 Ca(NO3) 45

KNO3 7NaNO3)

Les sels fondus ont eacuteteacute utiliseacutes pendant plusieurs deacutecennies dans lrsquoindustrie meacutetallurgique

La centrale agrave tour de THEMIS (25 MWe) en France est la pionniegravere des systegravemes utilisant du sel

solaire comme HTF et TESM La centrale ANDASOL 1 en Espagne est lune des technologies

CSP les plus matures aujourdhui Elle a une puissance de 50 MW et utilise un systegraveme de

stockage agrave deux reacuteservoirs ce qui implique environ 28 500 t de sel fondu comme TESM Malgreacute

la maturiteacute de la technologie celle-ci preacutesente de seacuterieuses limites sur le plan de lacceptabiliteacute du

coucirct et des tempeacuteratures de fonctionnement du sel [78] La tempeacuterature de solidification

relativement eacuteleveacutee du sel (suivant la composition 142 degC pour Hitec 150 degC pour Hitec XL et

250 degC pour le sel solaire) induit un coucirct dinvestissement eacuteleveacute et des coucircts dexploitation qui

limitent leurs utilisations en raison de la neacutecessiteacute drsquointroduire des systegravemes de chauffage des

conduites [75]

En se basant sur la technologie agrave deux cuves utilisant les sels fondus qui est la plus mature

cela repreacutesenterait la construction de 315 agrave 750 centrales de type dAndasol (28 500 t de sel solaire

utiliseacute) chaque anneacutee ce qui impliquerait un besoin de 9 agrave 21 Mtmiddotan-1

de TESM Dans ce sens le

continent africain devrait ecirctre en mesure de fournir entre 135 agrave 315 Mt de mateacuteriaux de stockage

Le sel extrait est produit en majoriteacute par le Chili (premier producteur du monde) avec 08 Mt par

an ce qui ne suffit pas agrave couvrir la demande projeteacutee en TESM des CSP et megravenerait agrave une

consommation de 30 fois la production des sels de nitrates du monde [7980] Le sel naturel

produit de nos jours est principalement utiliseacute pour lrsquoindustrie chimique en particulier dans

lrsquoagriculture (avec 70 pour lrsquoindustrie chimique et 30 pour lrsquoagriculture) Une telle utilisation

de ces sels creacuteerait un conflit dusage dautant plus que pour le stockage de la chaleur le sel utiliseacute

doit ecirctre drsquoune pureteacute supeacuterieure agrave 99 Drsquoautre part lrsquoutilisation des sels syntheacutetiques

augmenterait les eacutemissions de gaz agrave effets de serre de 52 compareacute au sel naturel [74]

Chapitre I 19

Ainsi malgreacute sa maturiteacute le sel fondu preacutesente de seacuterieuses limites en ce qui concerne

lacceptabiliteacute le coucirct la disponibiliteacute la dureacutee de vie et la tempeacuterature limite de fonctionnement

dans le contexte du projet CSP4Africa Par ailleurs mecircme si les verrous technologiques eacutetaient

leveacutes il nrsquoen demeure pas moins que de nombreuses controverses en lrsquooccurrence son classement

comme agent dangereux (SEVESO) lorsqursquoelle est utiliseacutee dans des systegravemes avec les huiles

syntheacutetiques resterait agrave lever Dans ce cas de figure lrsquohuile et le sel fondu agissent respectivement

comme comburant et combustible La classification SEVESO est une directive europeacuteenne qui

exige lidentification des sites dont les risques daccident sont importants Cette eacutetiquette peut avoir

un effet neacutegatif sur le deacuteploiement futur des centraux CSP

33 Les ceacuteramiques industrielles

Les ceacuteramiques sont des mateacuteriaux de plus en plus utiliseacutes comme TESM dans les CSP agrave des

tempeacuteratures supeacuterieures agrave 600 degC Ce sont des mateacuteriaux solides artificiels constitueacutes de

mineacuteraux anhydres et cristalliseacutes posseacutedants eacuteventuellement des phases vitreuses et formeacutees par

traitements thermiques agrave plus de 1000 degC En tant que mateacuteriau solide la ceacuteramique doit ecirctre en

contact direct avec le fluide de transfert de chaleur pour absorber ou transfeacuterer sa chaleur au bloc

de puissance Ainsi pour stocker de la chaleur le mateacuteriau doit avoir une bonne capaciteacute

calorifique et une bonne densiteacute mais aussi une bonne reacutesistance agrave lrsquooxydation Dans ce sens les

ceacuteramiques reacutefractaires sont des mateacuteriaux inteacuteressants du point de vue de la stabiliteacute thermique de

la compatibiliteacute avec les fluides de transferts ce qui permet de srsquoaffranchir drsquoun eacutechangeur

suppleacutementaire Les ceacuteramiques reacutefractaires sont des mateacuteriaux principalement issus des systegravemes

Alumine-Zircone-Silice (AZS) Magneacutesium Aluminium (Spinelle) Ces mateacuteriaux sont

majoritairement destineacutes aux applications agrave haute tempeacuterature (ge1000 degC) eu eacutegard agrave leur caractegravere

reacutefractaire Elles ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees afin de reacutepondre aux besoins speacutecifiques de lrsquoindustrie du

verre Les ceacuteramiques ne preacutesentent pas de diffeacuterence significative sur le plan de la capaciteacute

thermique de lrsquoordre de 800 agrave 1100 Jmiddotkg-1

middotK-1

et de la conductiviteacute thermique de lrsquoordre de 12 agrave

2 Wmiddotm-1

middotK-1

[50] avec le beacuteton et les roches

La centrale agrave tour pilote de Julich en Allemagne est lrsquoune des premiegraveres eacutequipeacutee drsquoun

systegraveme de stockage de 9 MWh de type reacutegeacuteneacuterateur en alumine (Al2O3) fonctionnant entre 120 et

680 degC [81] Le stockage en ceacuteramique de cette centrale est directement inteacutegreacute dans la boucle

dair de la tour solaire Reacutecemment lrsquoutilisation des particules solides en ceacuteramique comme le

carbure de silicium (SiC) agrave sicciteacute un inteacuterecirct pour les applications CSP [8283] Cette approche est

surtout utiliseacutee agrave cause de sa simpliciteacute et sa rentabiliteacute Le stockage sur des particules solides est

particuliegraverement prometteur pour les reacutecepteurs des centrales solaires agrave base de reacutecepteurs agrave air ou

agrave particules [82] Les particules de ceacuteramique sont chimiquement inertes et ne preacutesentent pas de

risque dexplosion Une analyse techno-eacuteconomique drsquoune centrale CSP de 50 MWe baseacutee sur

lutilisation de particules en suspension montre que lefficaciteacute de conversion thermique augmente

de 55 compareacute agrave une centrale agrave base de sel fondu [82] Le coucirct actualiseacute de leacutelectriciteacute qui en

reacutesulte est denviron 140 $USmiddotMWhe-1

soit une reacuteduction de 11 par rapport agrave une centrale agrave base

de sel fondu Par ailleurs les particules de ceacuteramique peuvent ecirctre utiliseacutees agrave la fois comme

mateacuteriaux de stockage et comme fluides de transfert de la chaleur particuliegraverement lorsque les

particules sont tregraves fines

Chapitre I 20

Malgreacute les nombreux avantages des ceacuteramiques reacutefractaires les coucircts eacuteleveacutes (4500 agrave

9000 euros par tonne) et limpact environnemental repreacutesentent un frein agrave leur utilisation dans les

systegravemes de stockage des CSP Ce coucirct est principalement impacteacute par celui de la matiegravere

premiegravere et par le proceacutedeacute drsquoeacutelaboration qui consomme de grandes quantiteacutes drsquoeacutenergie Les

besoins en eacutenergie pour la cuisson des briques en ceacuteramiques sont estimeacutes entre 11 MJmiddotkg-1

et

13 MJmiddotkg-1

De plus ces besoins repreacutesentent environ 30 du coucirct de production de la brique Il

est donc indispensable de rechercher de nouvelles sources de matiegravere premiegravere et de mettre en

place de nouveaux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration permettant de reacuteduire le coucirct de ces mateacuteriaux Par

ailleurs la dureacutee de vie des ceacuteramiques actuelle est de lrsquoordre de 5 agrave 15 ans compareacutee agrave 25 ans

pour les CSP Ainsi lrsquoenjeu pour ces mateacuteriaux dans le domaine des CSP est de deacutevelopper des

ceacuteramiques performantes agrave faible coucirct et ayant une meilleure dureacutee de vie

34 Conclusion sur les mateacuteriaux conventionnels

Malgreacute le deacuteveloppement que connaissent les mateacuteriaux de stockage il est neacutecessaire de

repenser les approches actuelles dans une optique de deacuteveloppement durable adapteacute aux reacutealiteacutes

locales Dans le contexte ouest-africain les huiles syntheacutetiques ne sont pas des solutions viables

pour ecirctre utiliseacutees en grande quantiteacute comme TESM ou HTF en raison de leurs coucircts tregraves eacuteleveacutes et

de leurs disponibiliteacutes Les sels fondus bien que majoritairement utiliseacutes dans les TES sont eux

aussi sujets agrave des contraintes techniques de disponibiliteacute de coucirct et drsquoimpact environnemental

consideacuterable Le coucirct eacuteleveacute rend les ceacuteramiques industrielles en leur eacutetat actuel de

deacuteveloppement peu adapteacutees pour une utilisation en Afrique de lrsquoOuest Pour les systegravemes agrave deux

reacuteservoirs tout comme les thermoclines lrsquoun des enjeux majeurs est le deacuteveloppement des

mateacuteriaux reacutepondant aux exigences actuelles du stockage et aux reacutealiteacutes locales Dans ce sens la

recherche de mateacuteriaux de stockage et de fluide de transfert alternatif est lune des voies de

deacuteveloppement prometteuses pour ce type dapplication [84] Notre travail a pour objectif de

proposer et deacutevelopper des TESM adapteacutes agrave ces deux systegravemes de stockage pour le deacuteveloppement

des CSP de petite taille en Afrique de lrsquoOuest

4 Les huiles veacutegeacutetales candidat drsquointeacuterecirct pour le stockage

ou le transfert de la chaleur dans les CSP

41 Les huiles veacutegeacutetales

Les huiles veacutegeacutetales sont perccedilues aujourdrsquohui comme les fluides de remplacement par excellence

des fluides thermiques classiques agrave base drsquohydrocarbures En raison la diversiteacute des plantes dont

elles sont issues les huiles veacutegeacutetales sont disponibles sur la majeure partie globe terrestre Par

ailleurs la valorisation des huiles pour des applications thermiques peut ecirctre une source de

revenue additionnelle surtout pour les populations en zone rurale ougrave lrsquoagriculture est lrsquoune des

principales sources de revenus

411 Composition des huiles veacutegeacutetales

Les huiles veacutegeacutetales sont des meacutelanges biologiques constitueacutes de glyceacuterol de chaicircnes

dacides gras Ces huiles ont une composition chimique qui correspond dans la plupart des cas agrave un

meacutelange drsquoenviron 95 de triglyceacuterides et drsquoacides gras libres et de 5 de steacuterols cires et

Chapitre I 21

diverses impureteacutes [85] Les triglyceacuterides sont des triesters formeacutes par la reacuteaction dacides gras sur

les trois fonctions alcools du glyceacuterol (Figure I-7) Les acides gras sont des moleacutecules organiques

composeacutees de chaicircnes carboneacutees allant de 12 agrave 24 carbones avec la fonction carboxylique porteacutee

par le premier atome de carbone Un acide gras est dit satureacute lorsqursquoil est constitueacute dune chaicircne

carboneacutee qui est lieacutee par une liaison simple Lorsquune double liaison est preacutesente entre les

atomes de carbone il est consideacutereacute comme eacutetant mono-insatureacute Lorsque lacide gras possegravede

plusieurs doubles liaisons entre les atomes de carbone on lrsquoappelle acides gras polyinsatureacutes Les

trois acides gras peuvent ecirctre soit identiques (triglyceacuterides homogegravenes) soit diffeacuterents

(triglyceacuterides heacuteteacuterogegravenes)

Figure I-7 a) Structure drsquoun triglyceacuteride R1 R2 R3 chaines aliphatiques satureacutees ou

insatureacutees b) Structure des acides gras preacutesents dans lrsquohuile

Le Tableau I-4 donne une ideacutee de la composition en acide gras des quelques huiles veacutegeacutetales

cultiveacutees en Afrique de lrsquoOuest Leurs caracteacuteristiques recouvrent en grande partie lensemble des

oleacuteagineux recenseacutes dans le monde et en particulier en Afrique de lrsquoOuest [85ndash87] La plupart de

ces huiles sont comestibles mis agrave part lrsquohuile de Jatropha qui est principalement utiliseacutee comme

combustible La composition des huiles veacutegeacutetales varie en fonction drsquoautres paramegravetres tels que la

situation geacuteographique la varieacuteteacute de la plante le climat Les acides gras insatureacutes repreacutesentent

dans la plupart des cas au moins la moitieacute des acides gras preacutesents dans les huiles La plupart des

huiles sont composeacutees majoritairement drsquoacide oleacuteique linoleacuteique et palmitique

a) b)

COOH

COOH

COOH

Acide gras satureacute pas de double liaison

Acide gras mono-insatureacute

Acide gras poly-insatureacute

Chapitre I 22

Tableau I-4 Composition moyenne en acide gras de quelques huiles veacutegeacutetales [858889]

dacide gras Kariteacute

Arachide

Colza

Jatropha

Coton

Balanites

Palme

Soja

Tournesol

Total dacide gras satureacute 45 152 74 221 262 27 574 15 125

C60 Caproiumlque 0 0 0 0 0 0 0

C80 Caprylic 0 0 0 0 0 0 0

C100 Caprique 0 0 0 0 0 0 0

C120 Laurique 0 0 0 0 01 0 0

C140 Myristic 0 0 0 07 12 0 0

C160 Palmitique 7 98 5 16 23 15 495 105 65

C180 Steacutearique 36 25 18 61 22 12 63 36 45

C200 Arachidique 2 16 06 0 02 03 04 03

C220 Behenic 13 0 0 01 0 05 11

Total gras mono-insatureacute 50 514 592 416 201 35 359 231 272

C161n-7 Palmitoleique 04 02 0 06 0 0 0

C181n-9 Oleacuteique 50 503 58 416 195 35 359 222 269

C221n-9 Erucique 07 1 0 0 0 09 0

Total gras polyinsatureacute 5 338 33 325 534 38 64 619 614

C162n-4 Hexadecadienoique 0 0 0 0 0 0

C182n-6 Linoleacuteique 5 338 228 325 532 38 62 551 614

C163n-3 Hexadecatrienoique 0 02 0 0 0 0 0

C183n-3 α-Linolenic 0 10 0 02 02 68 0

Chapitre I 23

Tous les acides gras insatureacutes ont des longueurs de chaicircnes supeacuterieures agrave 16 atomes de carbone

Plusieurs indices permettent de deacutecrire les caracteacuteristiques chimiques des oleacuteagineux lrsquoindice

drsquoiode lrsquoindice de saponification lrsquoindice dacide (ou aciditeacute) et lrsquoindice de peroxyde On peut par

exemple discriminer les huiles veacutegeacutetales en 4 grands groupes en fonction de lrsquoindice diode

Indice drsquoiode de 5 agrave 50 les huiles dites satureacutees coprah palme

Indice drsquoiode de 50 agrave 100 les huiles mono insatureacutees (semi-siccatives) colza arachide

Indice drsquoiode de 100 agrave 150 les huiles di-insatureacutees (semi-siccatives) tournesol soja

Indice drsquoiode supeacuterieur agrave 150 les huiles tri-insatureacutees (siccatives) lin bois de chine

Plus lindice diode est eacuteleveacute plus lhuile est insatureacutee (nombre de doubles et triples liaisons eacuteleveacute)

Lorsqursquoelle est insatureacutee lhuile est siccative peu reacutesistante agrave loxydation de viscositeacute eacuteleveacutee

Satureacutee elle reacutesiste mieux agrave loxydation est visqueuse avec un point de fusion eacuteleveacute et est souvent

solide aux tempeacuteratures ambiantes dans les climats tempeacutereacutes

412 Production des huiles veacutegeacutetales

Les huiles veacutegeacutetales sont geacuteneacuteralement produites par lrsquoextraction meacutecanique de lrsquohuile agrave

partir du noyau ou de la graine Cinq principales opeacuterations sont habituellement neacutecessaires dans

le processus de production des huiles veacutegeacutetales (La Figure I-8) Apregraves lrsquoextraction les huiles

doivent ecirctre stockeacutees dans des reacuteservoirs propres eacutetanches agrave lrsquoabri de la lumiegravere et agrave des

tempeacuteratures infeacuterieures agrave 35 degC pour eacuteviter de favoriser des reacuteactions susceptibles de la

deacuteteacuteriorer Lorsque la teneur en acide gras libre ou en phospholipide est trop eacuteleveacutee les opeacuterations

de raffinage comme la neutralisation et le deacutegommage peuvent ecirctre effectueacutees pour ameacuteliorer la

qualiteacute de lrsquohuile veacutegeacutetale Ces eacutetapes sont suivies par un processus de seacutechage tregraves

consommateur deacutenergie et qui produit par ailleurs des eaux useacutees [90]

Figure I-8 Relation entre le proceacutedeacute et la qualiteacute des huiles veacutegeacutetales adapteacutee de [91]

Drsquoautres eacutetapes comme lrsquohydrogeacutenation peuvent ecirctre inteacutegreacutees dans le processus de production

[92] Lhydrogeacutenation permet lrsquoaddition drsquoune moleacutecule dhydrogegravene sur les doubles liaisons des

composeacutes organiques insatureacutes afin de les saturer Ainsi la stabiliteacute des huiles serait ameacutelioreacutee

car sans les insaturations sur les chaicircnes grasses elles reacutesistent mieux agrave lrsquooxydation Cependant

le proceacutedeacute neacutecessite lrsquoutilisation de catalyseur comme le cuivre et des tempeacuteratures pouvant

atteindre 240 degC [92] Ce qui rend complexe et coucircteux le processus de production et conduit

parfois agrave la formation drsquoacides gras trans [92]

42 Marcheacute des huiles veacutegeacutetales

Chapitre I 24

Selon la FAO [93] lrsquoaccroissement des revenus par habitant devrait entraicircner une hausse

annuelle de 11 de la consommation drsquohuile veacutegeacutetale par habitant dans les pays en

deacuteveloppement Les grandes cultures oleacuteagineuses telles que le palmier le coton et lrsquoarachide sont

en constante eacutevolution sur le plan de la production de la transformation et des utilisations En

2013 le marcheacute mondial des huiles veacutegeacutetales a repreacutesenteacute plus de 150 millions de tonnes dont

plus de 60 drsquohuile de soja et de palme [94] Sur le marcheacute le prix des huiles veacutegeacutetales a

augmenteacute au cours des derniegraveres anneacutees La Figure I-9 preacutesente lrsquoeacutevolution du prix des principales

huiles veacutegeacutetales dans le monde Pour comparaison depuis 2003 le prix de lrsquohuile de palme a

augmenteacute de 94 lrsquohuile de soja de 120 et lrsquohuile de colza de 75 Cependant le prix de ces

huiles reste compeacutetitif par rapport agrave celui du peacutetrole brut sur le marcheacute qui eacutetait de 970 US$middott-1

e

en mai 2013 Neacuteanmoins leacutevolution du prix des huiles suit la mecircme tendance que celle du peacutetrole

(Figure I-9) Le prix des huiles veacutegeacutetales reste pratiquement stable malgreacute le pic de 2008 agrave cause

de la crise financiegravere De faccedilon plus preacutecise lrsquohuile de palme est la moins chegravere avec une moyenne

drsquoenviron 750 US$middott-1

Figure I-9 Comparaison du cours des trois huiles veacutegeacutetales les plus utiliseacutees et du peacutetrole brut de

2003 agrave 2013

Actuellement la demande dhuiles comestibles comme lrsquohuile de soja de maiumls et de palme est en

croissance rapide et leurs prix ont consideacuterablement augmenteacute ces derniegraveres anneacutees Toutefois la

diminution des reacuteserves de ressources fossiles entraicircne lenvoleacutee du prix du peacutetrole brut pendant

que la disponibiliteacute des huiles veacutegeacutetales comme matiegraveres premiegraveres renouvelables tend agrave

minimiser la hausse de leurs prix Par ailleurs le prix des huiles veacutegeacutetales est tregraves faible (il est en

moyenne de 850 euros la tonne) compareacutees aux huiles syntheacutetiques (16000 agrave 25000 euros la

tonne) qui sont tregraves souvent des deacuteriveacutees du peacutetrole ou des proceacutedeacutes connexes

Traditionnellement les oleacuteagineux sont cultiveacutes pour la consommation humaine ou animale

Cependant en fonction des principales reacuteactions chimiques applicables aux triglyceacuterides plusieurs

applications des produits formeacutes sont possibles dans une optique non alimentaire Reacutecemment

lrsquoutilisation des huiles veacutegeacutetales comme carburants a gagneacute en importance [9596] Cela est

principalement ducirc au coucirct tregraves bas de certaines huiles veacutegeacutetales mais surtout agrave la disponibiliteacute de

la ressource en particulier dans les pays importateurs de peacutetrole comme ceux de lrsquoAfrique de

lrsquoOuest Le potentiel est vaste et de nombreuses applications sont encore envisageables Ainsi ces

huiles si elles sont bien choisies peuvent ecirctre importantes en tant que source de matiegravere premiegravere

Chapitre I 25

pour lrsquoindustrie des CSP pour le stockage ou le transfert de la chaleur Toutefois la production agrave

grande eacutechelle de nombreux oleacuteagineux comme le palmier est deacutenonceacutee par des ONG car le

deacuteveloppement des plantations constitue une menace importante pour la faune et la flore

43 Valorisation des huiles veacutegeacutetales dans les CSP

Habituellement ce sont les huiles syntheacutetiques qui sont utiliseacutees pour le transfert de la

chaleur dans les proceacutedeacutes Cependant ces HTF ont un impact environnemental non neacutegligeable et

sont relativement coucircteux comme nous lrsquoavons vu preacuteceacutedemment Lrsquoutilisation des huiles

veacutegeacutetales preacutesente de nombreux avantages qui peuvent permettre drsquoeacuteviter ces aspects neacutegatifs

Cependant peu de recherches sont effectueacutees pour une utilisation agrave haute tempeacuterature (ge100 degC)

des huiles veacutegeacutetales La plupart des travaux recenseacutes dans la litteacuterature concernant les huiles

veacutegeacutetales pour des applications haute tempeacuterature concernent des utilisations de lrsquohuile comme

lubrifiant [97ndash104]

Reacutecemment Hoffman [14] dans ses travaux de thegravese en 2015 a mis en exergue le potentiel

drsquoutilisation en zone tempeacutereacutee de certaines huiles veacutegeacutetales pour le transfert de la chaleur dans un

systegraveme thermocline de 8 kWhth avec mateacuteriaux filaires agrave lrsquoeacutechelle pilote La conductiviteacute

thermique la chaleur speacutecifique la viscositeacute dynamique et la masse volumique de sept huiles

veacutegeacutetales ont eacuteteacute deacutetermineacutees dans ses travaux Le Tableau I-5 preacutesente les principales proprieacuteteacutes

de quelques huiles veacutegeacutetales analyseacutees dans sa thegravese agrave 210degC [14]

Tableau I-5 Proprieacuteteacutes thermiques et physiques des huiles veacutegeacutetales agrave 210 degC [14]

Proprieacuteteacutes thermiques Colza Jatropha Tournesol Palme Coton Soja

Point eacuteclair (degC) 285 236 316 280 230 330

Conductiviteacute thermique (Wmiddotm-1

middotdegK-1

) 014 014 014 014 014 014

Viscositeacute dynamique (mPamiddots) 315 178 170 167 180 112

chaleur speacutecifique (kJmiddotkg-1

middotdegK-1

) 2492 2502 2444 2677 2508 2440

Densiteacute (kgmiddotm-3

) 787 778 798 774 787 805

Densiteacute eacutenergeacutetique (kJmiddotm-3

middotdegK-1

) 1963 1965 1951 2072 1975 1953

On y observe que le point eacuteclair de ces huiles est en geacuteneacuteral supeacuterieur agrave celui des huiles

syntheacutetiques Le risque drsquoincendie est donc consideacuterablement reacuteduit pour les diffeacuterentes huiles

veacutegeacutetales Concernant la viscositeacute lrsquohuile de colza avec 60 drsquoacide oleacuteique a une viscositeacute plus

eacuteleveacutee (315 mPamiddots) que lrsquohuile de soja (112 mPamiddots) composeacutee agrave 52 drsquoacide linoleacuteique En

geacuteneacuteral les huiles posseacutedant plusieurs doubles liaisons ont une viscositeacute plus faible en raison de

leur structure Lrsquoanalyse des proprieacuteteacutes thermiques de ces huiles permet de mettre en eacutevidence le

potentiel important des huiles veacutegeacutetales En effet la densiteacute eacutenergeacutetique de ces huiles varie autour

de 25 MJmiddotm-3

middotdegK-1

ce qui est dans la moyenne des mateacuteriaux pour ce type drsquoapplication

Cependant leurs conductiviteacutes thermiques restent tregraves faibles [105] Lrsquoauteur montre que celle-ci

est parfois influenceacutee par la composition en acide gras Les huiles satureacutees comme lrsquohuile de coco

ont une conductiviteacute thermique globale plus faible qui diminue fortement avec la tempeacuterature

compareacutee aux huiles insatureacutees telles que lrsquohuile de colza [105] Par ailleurs il propose des

couples HTFTESM compatibles et deacutefinit une dureacutee de vie du fluide innovant A cet effet un

banc expeacuterimental a eacuteteacute deacuteveloppeacute pour eacutetudier la compatibiliteacute entre des couples HTF et TESM

preacutealablement seacutelectionneacutes Lrsquohuile veacutegeacutetale de colza a ainsi eacuteteacute associeacutee agrave diffeacuterents mateacuteriaux

Chapitre I 26

(alumine basalte laitier et quartzite) Le couple huile de colzaquartzite a ainsi eacuteteacute choisi car

permettant un bon compromis coucirct-performance pour des applications agrave des tempeacuteratures allant

jusqursquoagrave 210 degC dans des zones tempeacutereacutees

Par ailleurs pour une utilisation comme HTF et comme TESM il est indispensable

drsquoapprofondir les recherches sur leurs comportements avec la tempeacuterature en fonction du temps et

en preacutesence de mateacuteriaux de stockage Mais surtout il est souhaitable voire neacutecessaire

drsquoidentifier en fonction des ressources locales disponibles celle qui serait la mieux indiqueacutee Ces

eacutetudes suppleacutementaires permettront drsquoapporter des eacuteleacutements de reacuteponses sur la capaciteacute de ces

fluides agrave ecirctre utiliseacutes comme HTF ou TESM et ainsi de mener cette approche agrave maturation

44 Comportement thermique des huiles veacutegeacutetales

En regravegle geacuteneacuterale tous les types dhuiles preacutesentent une deacutegradation significative lorsquelles

sont exposeacutees agrave des tempeacuteratures suffisamment eacuteleveacutees Le niveau de deacutegradation augmente agrave

mesure que la tempeacuterature augmente ou que la dureacutee dexposition augmente ou les deux [17] En

raison des reacuteactions et des reacutearrangements des produits de deacutegradation peuvent apparaitre

conduisant agrave une oxydation partielle et agrave une instabiliteacute thermique de lrsquohuile Plusieurs

pheacutenomegravenes sont agrave lrsquoorigine de cette deacutegradation La deacutegradation des huiles veacutegeacutetales commence

lorsquelles sont exposeacutees agrave laction de loxygegravene de la tempeacuterature ou de lhumiditeacute [106] Lors de

lrsquoexposition agrave la chaleur diffeacuterents meacutecanismes et reacuteactions sont initieacutes donnant ainsi naissance agrave

des produits pouvant limiter leur utilisation Le type et la teneur des produits de la deacutegradation

induisent plusieurs changements sur les caracteacuteristiques des fluides Les principales reacuteactions

observeacutees jusqursquoagrave 200 degC sont reacutesumeacutees dans le Tableau I-6

Tableau I-6 Reacuteactions et interactions des huiles et des matiegraveres grasses pendant le chauffage

[106]

Reacuteaction Meacutecanisme Initiateur

Produit

alteacutereacute

Inhibiteur

0-120 degC Hydrolyse Hydrolyse Eau Acides gras

libres

Glyceacuterol Di-

glyceacuteride

Mono-

glyceacuteride

Eau filtreacutee

20-140 degC Agrave lrsquooxydation Radical

meacutecanisme

Oxygegravene

Meacutetal ions

Produits de

loxydation

Aldeacutehydes

Acides gras

libres

Acides gras

Oxygegravene lieacute

triglyceacuterides

Pheacutenolique

antioxydants

antiforme

agents azote

120-200 degC Polymeacuterisation Eacutelimination

Catalyse des

acides

deacuteshydratation

H+

(acides)

Cations

moisissure

Produits de

loxydation

Aldeacutehydes

Acides gras

libres

triglyceacuterides

Antioxydants

Chapitre I 27

Lhumiditeacute provoque des reacuteactions hydrolytiques qui donnent naissance agrave des acides gras libres

monoglyceacuterides diglyceacuterides et de glyceacuterol Loxydation est la reacuteaction primaire ce qui entraine

la formation drsquooxydes monomegraveres dimegraveres et polymegraveres [107] Loxydation des huiles veacutegeacutetales

est une alteacuteration chimique entrainant la formation de peroxydes et dhydroperoxydes puis la

libeacuteration de moleacutecules de type aldeacutehyde et ceacutetone [108] Elle provient de leffet de loxygegravene de

lair sur les doubles liaisons des acides gras insatureacutes Les premiers produits formeacutes par attaque de

lrsquooxygegravene activeacutee sur les doubles liaisons des chaines drsquoacides gras sont des composeacutes peroxydeacutes

instables les hydroperoxydes dont la structure va deacutependre de la nature des acides gras attaqueacutes

(acides mono- di- tri- ou polyinsatureacutes) [109] Les composeacutes secondaires drsquooxydation non

volatils sont principalement des triglyceacuterides oxydeacutes monomegraveres comportant au moins un acide

gras alteacutereacute porteur drsquoun groupement fonctionnel de type hydroxyle carbonyle ou eacutepoxyde Cette

deacutegradation est geacuteneacuteralement affecteacutee et acceacuteleacutereacutee par de nombreux facteurs tels que la

tempeacuterature eacuteleveacutee un acide gras les composants non satureacutes la lumiegravere la preacutesence de meacutetaux et

dautres paramegravetres [104110ndash112] Le processus de chauffage fournit de leacutenergie permettant

drsquoexciter des moleacutecules A un certain niveau les moleacutecules ont assez deacutenergie pour rompre les

liaisons dans leur chaine La plupart du temps cela se passe dans les parties insatureacutees de lrsquohuile

qui seront ensuite transformeacutees en structure satureacutee [104] La stabiliteacute de lhuile est eacutegalement

affecteacutee par le mateacuteriau utiliseacute comme contenants ou dans le systegraveme de tuyauterie Schaich et al

[113] ont examineacute la cineacutetique drsquooxydation en preacutesence de catalyseur Les meacutetaux de transition

posseacutedant deux ou plusieurs eacutetats de valence et ayant un potentiel de reacuteduction doxydation

approprieacute permettent agrave la fois de diminuer la peacuteriode dinduction et daugmenter le taux

doxydation Ces meacutetaux comprennent notamment le cobalt le fer le cuivre le nickel et le

manganegravese [113ndash115] La stabiliteacute thermique des huiles veacutegeacutetales telles que lrsquohuile veacutegeacutetale de

Jatropha curas (HVJC) repreacutesente donc un deacutefi majeur pour les applications agrave haute tempeacuterature

telles que les CSP

5 Les roches et les ceacuteramiques recycleacutees

Dans un contexte de recherche drsquoalternatives aux mateacuteriaux conventionnels les deacutechets

industriels les sous-produits les roches ont montreacute un potentiel inteacuteressant pour la reacuteduction du

coucirct et de lrsquoimpact environnemental des mateacuteriaux de stockage ou de transfert de chaleur [14]

Plusieurs mateacuteriaux ont eacuteteacute analyseacutes principalement pour le stockage de la chaleur sensible Parmi

eux les deacutechets provenant de lamiante les cendres volantes provenant des incineacuterateurs de

deacutechets solides et des centrales agrave charbon les laitiers provenant de lindustrie meacutetallurgique se

reacutevegravelent ecirctre des solutions dignes drsquointeacuterecirct

51 Mateacuteriaux naturels les roches

Les roches sont des mateacuteriaux naturels geacuteneacuteralement solides formeacutes essentiellement ou

totalement par un assemblage de mineacuteraux A la faveur du processus de formation mis en jeu on

deacutenombre trois grandes familles de roches Il srsquoagit des roches seacutedimentaires des roches

magmatiques et des roches meacutetamorphiques La Figure I-10 preacutesente les principaux types de

roches avec des exemples des roches les plus en vue dans les CSP [3666116ndash120]

Chapitre I 28

Figure I-10 Classification des roches avec quelques exemples par type

Les roches magmatiques les plus en vues sont le granite et le basalte Les granites ont des

mineacuteraux dont la taille des grains est de lrsquoordre du mm (visibles agrave lœil nu) Les basaltes ont quant

agrave eux des tailles de grains plus fines Du point de vue thermique les roches basaltiques sont en

geacuteneacuteral plus stables que les roches granitiques Les travaux de thegravese de Tamar Nahas en cours au

PROMES ont deacutejagrave permis de montrer que le basalte drsquoEgypte traiteacute thermiquement agrave 1000 degC est

stable jusqursquoagrave 800 degC ce qui laisse envisager son utilisation dans tous les types CSP [121] Les

transformations structurales induites par le traitement thermique ont favoriseacute la formation drsquoaugite

et drsquoanorthite qui sont consideacutereacutes comme des phases reacutefractaires

Les roches meacutetamorphiques proviennent des roches igneacutees et seacutedimentaires ayant subi des

transformations structurales et texturales sous lrsquoeffet de laugmentation de la pression de la

tempeacuterature [122] Des exemples de ces roches meacutetamorphiques de contact sont le gneiss et le

schiste souvent associeacutes agrave des roches magmatiques comme le granite Le marbre et quartzite sont

quant agrave elles des produits du meacutetamorphisme reacutegional Le quartzite est une roche tregraves compacte et

tregraves dure dans laquelle les grains de quartz sont tregraves soudeacutes et totalement imbriqueacutes les uns dans

les autres Le quartzite beacuteneacuteficie drsquoune bonne reacutesistance thermique ce qui fait drsquoelle une des

roches les plus priseacutees pour les applications thermiques Elle a surtout eacuteteacute utiliseacutee ou envisageacutee

dans les systegravemes de stockage de type thermocline [3666116ndash120]

Les roches seacutedimentaires sont geacuteneacuteralement composeacutees de couches superposeacutees refleacutetant la

variabiliteacute des processus de transport et de deacutepocirct Il existe deux grands types de roches

seacutedimentaires chimiques et dendritiques [122] La roche chimique comprend le calcaire la craie

et le gypse Ces roches se forment du fait de la preacutecipitation de mineacuteraux solubles agrave partir de la

solution Les roches dendritiques sont le produit de lalteacuteration et de leacuterosion des roches

meacutetamorphiques seacutedimentaires ou igneacutees existantes Par conseacutequent les roches seacutedimentaires

sont tregraves souvent poreuses et instables thermiquement Les calcaires et les gregraves ont eacuteteacute envisageacutes

par Kenneth [118] en Afrique du Sud et Grirate et al [119] au Maroc pour le stockage de la

chaleur

511 Proprieacuteteacutes thermo physiques des roches

Classification des roches

Seacutedimentaires

Dendritiques Chimique

Magmatiques

Plutonique Volcanique

Meacutetamorphiques

Folieacutee

Contact

Non-Folieacutee

Reacutegional

BasalteGregraves Calcaire Granite Gneiss Quartzite

Chapitre I 29

Les proprieacuteteacutes thermiques des roches sont intimement lieacutees agrave leur composition mineacuteralogique

leurs proprieacuteteacutes chimiques et physiques Les principaux paramegravetres influenccedilant les proprieacuteteacutes

thermiques ont eacuteteacute mis en eacutevidence par plusieurs auteurs [123ndash126] Parmi ces paramegravetres on peut

citer la tempeacuterature la pression le degreacute de saturation les mineacuteraux dominants lrsquoanisotropie et

lrsquohomogeacuteneacuteiteacute Lrsquoinfluence de lrsquoorigine de la roche megravere et donc du processus de formation est

eacutegalement importante

La chaleur speacutecifique et la capaciteacute calorifique des roches sont preacutesenteacutees dans la Figure

I-11 La chaleur speacutecifique varie de 740 agrave 1100 Jmiddotkg-1

middotdegK-1

et est plus eacuteleveacutee pour les roches

seacutedimentaires Leffet de la tempeacuterature sur la chaleur speacutecifique est significatif pour les roches

comme le quartzite Pour ce dernier elle augmente denviron 700 Jmiddotkg-1

middotdegK-1

agrave tempeacuterature

ambiante agrave 1150 Jmiddotkg-1

middotdegK-1

agrave 500 degC soit une augmentation de plus de 60 La chaleur

speacutecifique de roches seacutedimentaires est globalement plus eacuteleveacutee que celle des autres types de

roches Le taux daugmentation de la chaleur speacutecifique est plus eacuteleveacute dans la plage de tempeacuterature

pregraves de 0 degC pour les diffeacuterents types de roche Lorsque la tempeacuterature augmente le taux

daccroissement de la capaciteacute calorifique diminue La densiteacute eacutenergeacutetique deacutepend principalement

de la composition de la roche Elle est denviron 2 MJmiddotm-3

C-1

agrave tempeacuterature ambiante et eacutevolue

vers des valeurs maximales de 28 MJmiddotm-3

middotdegC-1

agrave la tempeacuterature de 300 degC (Figure I-11-(b)) Les

valeurs sont pratiquement les mecircmes pour les trois types de roche

Figure I-11 Valeurs moyennes et plages de variation de (a) chaleur speacutecifique agrave pression

constante(Cp)et (b) la capaciteacute calorifique (ρtimesCp) fonction la de tempeacuterature pour les roches

magmatiques meacutetamorphiques et seacutedimentaires [124]

La plupart des roches volcaniques et plutoniques ont des conductiviteacutes thermiques qui

peuvent ecirctre consideacutereacutees avec une bonne approximation comme eacutetant isotropes [123125]

Contrairement agrave cela la conductiviteacute thermique de certaines roches seacutedimentaires et de

nombreuses roches meacutetamorphiques est fortement anisotrope La conductiviteacute thermique des

roches diminue en geacuteneacuteral avec la tempeacuterature La deacutependance en tempeacuterature de la conductiviteacute

thermique a eacuteteacute eacutetudieacutee sur des eacutechantillons secs agrave des tempeacuteratures comprises entre 0 et 500 degC

par Vosteen et al[124] La Figure I-12 montre leffet coupleacute du type de roche et la tempeacuterature sur

la conductiviteacute thermique On observe que les roches meacutetamorphiques ont une conductiviteacute

thermique supeacuterieure agrave celle des roches meacutetamorphiques en dessous de 250 degC Toutefois comme

lrsquoanisotropie de la matrice rocheuse diminue habituellement avec laugmentation de la

tempeacuterature cet effet devient inverse agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees [124]

Chapitre I 30

Figure I-12 Valeurs moyennes (symboles) et les plages de variation (barres verticales) de la

conductiviteacute thermique en fonction de la tempeacuterature pour[124] (a) les roches magmatiques et

meacutetamorphiques et (b) les roches seacutedimentaires [124]

La variation de la conductiviteacute thermique des roches meacutetamorphiques et plutoniques est

geacuteneacuteralement deacutependante de la teneur en phase mineacuterale dominante Pour les roches pauvres en

quartz la diminution de la conductiviteacute nrsquoest pas aussi prononceacutee repreacutesentant environ un tiers de

la valeur agrave tempeacuterature ambiante jusquagrave 200 degC Le basalte par exemple est composeacute drsquoanorthite

drsquoaugite drsquoalbite et de diopsides et sa conductiviteacute peut atteindre jusqursquoagrave 2 Wmiddotm-1

middotK-1

Celle du

quartzite principalement composeacute de quartz contrairement agrave ce qui est preacutesenteacute pour les roches

meacutetamorphiques sur la Figure I-12 va jusqursquoagrave 75 Wmiddotm-1

middotK-1

[123] Toutefois sa conductiviteacute

thermique diminue rapidement avec la tempeacuterature La forte preacutesence du quartz dans le granite

influence eacutegalement sa conductiviteacute thermique de faccedilon neacutegative [127] La conductiviteacute thermique

des seacutediments physiques est influenceacutee de la porositeacute tregraves souvent consideacuterable (jusqursquoagrave 30)

Les seacutediments chimiques comme le calcaire comprennent de lrsquoheacutematite Malgreacute le fait que

lrsquoheacutematite est une phase conductrice lrsquoeffet de la porositeacute sur la conductiviteacute thermique effective

est un facteur tregraves limitant De faccedilon geacuteneacuterale pour les roches seacutedimentaires au-dessus de 300 degC

la conductiviteacute thermique est tregraves faible compareacutee agrave celle des roches meacutetamorphiques et

plutoniques Cependant les roches seacutedimentaires occupent plus de 5 du volume de la croucircte

terrestre et couvrent environ 66 de la superficie de la surface terrestre [122] Elles sont donc plus

facilement accessibles et ne neacutecessiteraient pas beaucoup drsquoefforts pour leurs extractions

512 Utilisation des roches comme mateacuteriau de stockage de la chaleur dans les CSP

Les roches sont des mateacuteriaux envisageacutees dans la plupart des cas car elles sont peu

coucircteuses et disponibles Elles sont tregraves proches des ceacuteramiques du point de vue chimique Leurs

proprieacuteteacutes thermiques sont eacutegalement semblables agrave celles des ceacuteramiques industrielles Linteacuterecirct de

ces mateacuteriaux pour les CSP a toujours presque toujours eacuteteacute lieacute agrave la technologie de stockage par

effet thermocline sur lit de roche

Les roches ont eacuteteacute pour la premiegravere fois utiliseacutees pour le stockage de la chaleur dans les

CSP en 1982 dans la centrale Solar One aux Etats-Unis Cette centrale utilisait un systegraveme de

stockage de type thermocline agrave mateacuteriaux filaires fonctionnant avec de lrsquohuile syntheacutetique entre

244 et 304 degC Le systegraveme de stockage eacutetait de type indirect avec une capaciteacute de 182 MWhth Le

lit granulaire eacutetait constitueacute de roches de granite et de sable avec une porositeacute globale de 20

Chapitre I 31

Bien que cette solution ait eacuteteacute particuliegraverement attrayante elle fut abandonneacutee En effet au-delagrave de

ses aspects innovants le systegraveme de stockage de Solar One a eacuteteacute abandonneacute lors de sa conversion

en Solar Two en raison des problegravemes rencontreacutes lors de son utilisation En effet le craquage

thermique de lrsquohuile catalyseacute par les mateacuteriaux filaires a conduit agrave lrsquoexplosion du systegraveme de

stockage Lrsquoinstabiliteacute thermique du mateacuteriau reacuteduit consideacuterablement la dureacutee de vie de lrsquohuile et

conduit agrave des risques importants pour lrsquoenvironnement

Le Sandia National Laboratories a construit et testeacute en 2001 un systegraveme thermocline sur lit

de roche de 23 MWhth [66] Le quartzite a eacuteteacute choisi comme mateacuteriau de garnissage en raison de

sa meilleure stabiliteacute thermique Concernant le fluide de transfert le sel fondu a eacuteteacute retenu pour

son coucirct deacuterisoire compareacute agrave celui de lrsquohuile syntheacutetique Une seacuterie de tests de compatibiliteacute entre

les deux mateacuteriaux a eacuteteacute reacutealiseacutee et a permis de mieux comprendre leurs comportements

Toutefois la stabiliteacute thermique de la roche utiliseacutee reste un facteur important de sa durabiliteacute

surtout si elle est utiliseacutee comme mateacuteriau de stockage

Zanganeh et al[128] en 2012 ont eacutetudieacute modeacuteliseacutes et reacutealiseacutes des expeacuteriences sur un lit de

roche conique de 65 MWhth chargeacute dair ambiant agrave des tempeacuteratures allant jusquagrave 650 degC Les

cinq diffeacuterentes roches utiliseacutees dans le lit de roche thermocline provenaient de la reacutegion de

Rafzerfeld agrave Zurich en Suisse Il srsquoagit du calcaire du quartzite du gregraves et du gabbro Les analyses

montrent que les proprieacuteteacutes thermiques de ces roches varient consideacuterablement dans la plage de

mesure de 25 degC agrave 175 degC Zanganeh a effectueacute des simulations sur les chutes de pression et la

reacutepartition de la tempeacuterature Les reacutesultats ont eacuteteacute compareacutes agrave ceux du dispositif expeacuterimental avec

des roches ayant un diamegravetre moyen de 3 cm Les reacutesultats montrent que lrsquoon peut atteindre des

rendements de plus de 95

Allen et al en 2014 [129] comparent le systegraveme thermocline avec le systegraveme agrave deux

reacuteservoirs en se basant sur leacutenergie stockeacutee par uniteacute de volume Le systegraveme agrave deux reacuteservoirs de

sel de nitrate avec une variation de tempeacuterature de 300 degC permet drsquoarriver agrave 900 MJmiddotm-

3drsquoeacutenergie stockeacutee Par contre pour le systegraveme agrave un seul reacuteservoir testeacute avec le mecircme sel la

capaciteacute thermique effective de lensemble du systegraveme de stockage est de 450 MJmiddotm-3

Pour la

thermocline agrave lit de roche avec une variation de tempeacuterature denviron 240 degC on arrive agrave un

maximum drsquoeacutenergie stockeacutee de 800 MJmiddotm-3

Ainsi le systegraveme de stockage agrave lit de roche granulaire

est eacutequivalent en termes de quantiteacute drsquoeacutenergie stockeacutee au systegraveme agrave deux reacuteservoirs

Le quartzite provenant de la carriegravere Carayon agrave Saint-Pons de Thomiegraveres en France a eacuteteacute

utiliseacute dans un systegraveme thermocline avec de lrsquohuile de colza comme fluide de transfert par

Hoffman [116] en 2015 Kenneth [118] en 2014 avait lui aussi dans sa thegravese proposeacute et testeacute le

quartzite dans un systegraveme thermocline mais cette fois en utilisant de lrsquoair comme fluide de

transfert Ces deux travaux ont permis de remettre en lumiegravere le systegraveme thermocline mais surtout

le potentiel des roches comme le quartzite agrave ecirctre utiliseacute agrave des tempeacuteratures allant jusqursquoagrave 600 degC

Lrsquoexpeacuterience de deacutemonstration deacuteveloppeacutee par Hoffmann a permis drsquoexpeacuterimenter les phases de

charge et de deacutecharge de la thermocline Deux granulomeacutetries ainsi que plusieurs vitesses de

fluides ont eacuteteacute testeacutees pour identifier au mieux les performances de ce type de systegraveme de

stockage Le modegravele agrave une dimension et deux phases conccedilu a permis de simuler le systegraveme avec

une grande efficaciteacute indeacutependamment de la taille du reacuteservoir des mateacuteriaux et des conditions

opeacuteratoires Ce qui a permis de dimensionner un systegraveme de stockage thermocline de 700 kWhth

pour le projet Innotherm III

Chapitre I 32

Bien que les roches soient du point de vue structural et thermophysique proches des

ceacuteramiques elles sont geacuteneacuteralement instables au cycle de chauffage et de refroidissement Sous

lrsquoeffet des chocs thermiques la plupart des roches se fragmentent rendant difficiles leurs

utilisations dans les CSP Plus la tempeacuterature augmente plus les cristaux srsquoeacutepandent diffeacuteremment

en fonction de leur composition et orientation Cette situation est agrave lrsquoorigine du craquage interne

de la roche Les deacutefauts de discontinuiteacute les joints et les ruptures la foliation et les orientations

preacutefeacuterentielles des grains ou les zones chimiques doxydation sont autant de facteurs qui

influencent particuliegraverement le coefficient drsquoexpansion et la densiteacute des roches Lrsquoineacutegale

contraction et lexpansion thermique des mineacuteraux contenus dans la roche peuvent eacutegalement

provoquer un stress thermique entre les cristaux favorisant le craquage et la deacutesinteacutegration et sa

deacutesagreacutegation Cette instabiliteacute est geacuteneacuteralement plus importante avec la taille des grains de la

roche alors quelle diminue avec la reacuteduction de la porositeacute

La compreacutehension de la reacuteactiviteacute des roches est un paramegravetre indispensable au traitement

du mateacuteriau Il est donc indispensable drsquoidentifier les roches ayant le potentiel suffisant en matiegravere

de disponibiliteacute de la ressource locale mais eacutegalement de ses proprieacuteteacutes tant mineacuteralogiques que

thermiques Si neacutecessaire un traitement thermique approprieacute peut ecirctre envisageacute afin de stabiliser

le mateacuteriau Ainsi cette approche devrait permettre de seacutelectionner des laquo candidats raquo

potentiellement aptes aux applications thermiques agrave haute tempeacuterature

52 Mateacuteriaux issus des deacutechets pour le stockage par chaleur sensible

Drsquoapregraves les preacutevisions de lrsquoAIE [130] lrsquoaugmentation de la demande eacutenergeacutetique mondiale

sera en partie due agrave lrsquoindustrialisation des pays en deacuteveloppement comme cela fut le cas pour les

pays deacuteveloppeacutes Lrsquoindustrialisation des pays en deacuteveloppement passera neacutecessairement par celui

de lrsquoindustrie lourde Ces industries produisent tregraves souvent de nombreux deacutechets et sous-produits

dont la plupart sont entreposeacutes sur de grandes surfaces Diffeacuterents deacutechets industriels ont eacuteteacute

consideacutereacutes comme des mateacuteriaux de stockage potentiels et ont eacuteteacute caracteacuteriseacutes comme tels [131ndash

134] Lrsquoamiante les cendres volantes et les laitiers sont les principaux deacutechets couramment

eacutetudieacutes et utiliseacutes Cette partie preacutesente ces deacutechets les diffeacuterentes meacutethodes de traitement les

mateacuteriaux qui en reacutesultent ainsi que leurs caracteacuteristiques

521 Ceacuteramique issue de deacutechets amianteacutes le Cofalit

De nombreuses eacutetudes ont eacuteteacute deacutedieacutees agrave la valorisation de lrsquoamiante pour lrsquoeacutelaboration de

ceacuteramiques La plupart de ces eacutetudes ont eacuteteacute meneacutees par le laboratoire PROMES en France dans le

cadre du projet ANRs SOLSTOCK en 2008 et SESCO en 2009 Nicolas Calvet fut lrsquoun des

premiers agrave eacutetudier le potentiel de valorisation de lrsquoamiante agrave cette fin A la suite de ces travaux les

ceacuteramiques issues de lrsquoamiante ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees par Antoine Meffre [84] en 2009 et testeacutees par

Amelie Kere [13] en 2013 au PROMES

Lrsquoamiante est un mateacuteriau dont la structure est principalement fibreuse Cette structure est

consideacutereacutee comme eacutetant canceacuterigegravene Le traitement par fusion comme celui observeacute sur la Figure

I-13 est agrave ce jour lrsquounique moyen permettant de rendre lrsquoamiante complegravetement inerte Pour cela

un traitement agrave environ 1400 degC est neacutecessaire et conduit agrave des eacutemissions de GES significatifs

Ainsi seules les applications telles que les TES des CSP ou CAES peuvent vraiment offrir un

temps de retour eacutenergeacutetique justifiant le traitement des deacutechets [135] Dans les conditions

Chapitre I 33

industrielles drsquoeacutelaboration plusieurs organisations structurales du mateacuteriau sont observeacutees dans le

lingot [136] En effet le mateacuteriau fondu est refroidi par convection naturelle Ainsi agrave partir du

processus drsquoeacutelaboration deux mateacuteriaux sont produits le verre et la ceacuteramique [137] Le verre

obtenu peut ecirctre cristalliseacute agrave environ 900 degC pour donner naissance agrave une ceacuteramique La

composition cristallographique de cette ceacuteramique indique la preacutesence de wollastonite akermanite

et daugite

Figure I-13 Processus drsquoeacutelaboration de ceacuteramique reacutefractaires agrave partir de lrsquoamiante

La structure de la ceacuteramique obtenue est tregraves stable apregraves plusieurs cycles thermiques successifs

entre la tempeacuterature ambiante et 1000 degC La caracteacuterisation thermophysique reacutealiseacutee par Py et al

[137] montre que les proprieacuteteacutes thermiques de la ceacuteramique obtenue sont dinteacuterecirct pour les

applications de stockage En effet la valeur moyenne de la densiteacute est de 3120 kg celle de la

capaciteacute calorifique de 1034 kJmiddotkg-1

middotdegC-1

celle de la conductiviteacute thermique 14 Wmiddotm-1

middotdegC-1

et le

coefficient drsquoexpansion thermique de 88middot10-6

K-1

Les proprieacuteteacutes de la ceacuteramique obtenue sont

dans la gamme de celles des ceacuteramiques industrielles [50] et de celles des roches de compositions

chimiques similaires Toutefois mecircme si la composition initiale de lrsquoamiante peut ecirctre consideacutereacutee

comme tregraves variable les principaux composeacutes (O (32) Ca (31) Si (23) FendashMgndashAl (13))

controcirclent les proprieacuteteacutes des mateacuteriaux obtenus Par ailleurs le Cofalit est vendu entre 8 et 10 eurot

contre 4500 agrave 8000 eurot pour les ceacuteramiques industrielles

Les tests des ceacuteramiques issues de lrsquoamiante (Cofalit) ont eacuteteacute reacutealiseacutes dans une uniteacute de

stockage agrave lrsquoeacutechelle de laboratoire sous forme de module unitaire (Figure I-14) et avec de lrsquoair

comprimeacute agrave 30 bars et agrave 800 degC [13]

Figure I-14 Vue drsquoensemble du module de stockage thermique utilisant des ceacuteramiques

eacutelaboreacutees agrave partir drsquoamiante

De la structure fibreuse au mateacuteriau de stockage

Structure fibreuse Fusion Structure du vitrifiat Verre Ceacuteramique

Chapitre I 34

Il est possible apregraves la fusion de lrsquoamiante mettre en forme le vitrifiat agrave partir des moules afin

drsquoobtenir diffeacuterentes formes de modules (plat ou onduleacute) comme on peut lrsquoobserver agrave droite de la

Figure I-14 Signalons toutefois que drsquoautres formes comme les sphegraveres plus propices aux

systegravemes thermoclines peuvent ecirctre envisageacutees Les diffeacuterents cyclages ont porteacute sur les plages de

fonctionnement des technologies CSP Apregraves les tests aucun changement majeur nrsquoa eacuteteacute observeacute

sur la structure du mateacuteriau Indiquant de ce fait son aptitude agrave pouvoir ecirctre utiliseacute avec de lrsquoair

comme fluide de transfert de chaleur La compatibiliteacute du Cofalit avec les sels fondus a eacutegalement

eacuteteacute eacutetudieacutee dans drsquoautres eacutetudes [138ndash140] Les reacutesultats des tests reacutealiseacutes par contact direct entre

les deux mateacuteriaux agrave 500 degC pendant plusieurs milliers dheures montrent que le Cofalit peut ecirctre

utiliseacute agrave pregraves de 500 degC en contact direct avec le sel fondu (NaNO3KNO3) dans les systegravemes de

stockage actif comme les reacutegeacuteneacuterateurs et les thermoclines [140]

Des travaux meneacutes en 2016 par Lalau et al [141] ont permis de quantifier lrsquoimpact

environnemental du Cofalit par le biais drsquoune analyse du cycle de vie Compareacutee agrave la technologie

classique baseacutee sur le systegraveme agrave deux cuves de sels fondus les impacts environnementaux de

luniteacute de stockage utilisant des ceacuteramiques recycleacutees provenant de deacutechets industriels sont reacuteduits

30 en matiegravere de demande en eacutenergie primaire et de 60 pour la consommation en eau [141]

Par ailleurs le temps de retour eacutenergeacutetique du TES reste infeacuterieur agrave 3 ans par rapport aux 30 ans

dutilisation preacutevue dans la centrale Un tel temps de retour repreacutesente un fort avantage surtout

quand on sait que les principales preacuteoccupations sont drsquoordres environnementaux et eacuteconomiques

522 Ceacuteramiques issues des cendres volantes (Fly ashes FA)

Les cendres volantes (Fly Asch FA) sont des produits de la combustion industrielle tels

que ceux de la combustion du charbon dans les centrales eacutelectriques (Coal Fly ashes CFA) ou la

combustion des deacutechets meacutenagers solides dans les incineacuterateurs municipaux (Municipal Solid

Waste Industrial Fly Ashes MSWIFA) La valorisation de ces eacutenormes quantiteacutes de mateacuteriaux

peut au mecircme titre que lrsquoamiante ecirctre strateacutegique dans le contexte de la transition eacutenergeacutetique

[142] Ces deacutechets sont geacuteneacuteralement traiteacutes par fusion agrave 1400 degC agrave lrsquoaide drsquoune torche agrave plasma

Ce proceacutedeacute de traitement est similaire agrave celui utiliseacute pour les deacutechets amianteacutes A la suite du

traitement les meacutetaux lourds initialement preacutesents sont fixeacutes agrave linteacuterieur de la structure de la

ceacuteramique obtenue [143]

Comme pour lrsquoamiante apregraves le refroidissement du vitrifiat le lingot obtenu se preacutesente

sous deux formes le verre et la ceacuteramique La Figure I-15 deacutecrit le comportement thermique du

verre et de la ceacuteramique issus des CFA La DSC du verre preacutesente une transition vitreuse agrave

environ 650 degC et un pic de cristallisation agrave 900 degC tandis que celle de la ceacuteramique est tregraves stable

dans toute la plage de tempeacuterature Ceci illustre le fait que le verre peut ecirctre utiliseacute comme

mateacuteriaux de stockage dans les systegravemes de stockage fonctionnant en dessous de 600 degC tandis

que celle de la ceacuteramique peut ecirctre utiliseacutee dans toute la gamme de tempeacuterature infeacuterieure agrave

1100 degC Toutefois par un proceacutedeacute de traitement thermique les billes de verre ont pu ecirctre

cristalliseacutees dans un four eacutelectrique agrave 1100 degC pendant 20 heures La ceacuteramique obtenue preacutesente

une structure identique agrave celle de la mullite [144] ceacuteramique tregraves priseacutee et bien connue pour son

caractegravere reacutefractaire

Chapitre I 35

Figure I-15 Caracteacuterisation DSC des mateacuteriaux issus des FA [143]

Les proprieacuteteacutes thermophysiques du verre et de la ceacuteramique eacutelaboreacutees agrave partir des CFA

conduisent agrave la plage de valeurs suivante (Tle1000 degC) la densiteacute entre 2962 et 2896 kg) la

capaciteacute calorifique entre 0714 et 1122 kJmiddotkg-1

middotdegC-1

) la conductiviteacute thermique entre 116 et

159 Wmiddotm-1

middotdegC-1

et le coefficient drsquoexpansion thermique de 87middot10-6

K-1

[12] Ces valeurs

correspondent agrave la plage recommandeacutee pour le stockage de la chaleur Dans une approche

drsquoeacutelaboration plus aboutie les CFA ont eacuteteacute meacutelangeacutees aux coquilles drsquoœufs Les coquilles drsquoœufs

sont consideacutereacutees comme des deacutechets industriels qui peuvent ecirctre consideacutereacutees comme mateacuteriau

inteacuteressant du fait de leur forte teneur en CaCO3 Jusqursquoagrave 20 en poids de coquilles drsquoœuf ont eacuteteacute

meacutelangeacutees aux CFA avant la fusion Le meacutelange de CFA et de coquilles dœufs a permis drsquoobtenir

apregraves traitement agrave 1100 degC pendant 2 heures de lrsquoanorthite une ceacuteramique stable et apte agrave

lrsquoutilisation pour le stockage de la chaleur Avec une densiteacute moyenne de 2600 kg une capaciteacute

calorifique variant entre 0735 et 1300 kJmiddotkg-1

middotdegC-1

une conductiviteacute thermique entre 13 et

21 Wmiddotm-1

middotdegC-1

et un coefficient drsquoexpansion thermique de 4middot10-6

K-1

[13] les proprieacuteteacutes

thermiques des meacutelanges eacutelaboreacutes sont dans lensemble proches de celles des ceacuteramiques

conventionnelles Ces proprieacuteteacutes sont dans la plage recommandeacutee pour des applications de

stockage de la chaleur et confirment le potentiel de ce type de mateacuteriau pour les CSP Toutefois la

masse volumique des mateacuteriaux issus de cendres volantes est infeacuterieure agrave celle des ceacuteramiques

industrielles [50] et du Cofalit [137] sa capaciteacute thermique reste dans le mecircme ordre de grandeur et

parfois plus eacuteleveacutee que celle des autres mateacuteriaux Par ailleurs le prix du mateacuteriau eacutelaboreacute peut

ecirctre estimeacute entre 10 et 1200 euros la tonne En effet le prix deacutepend du fait que le coucirct du

traitement du mateacuteriau peut ecirctre ou pas pris en compte par les industries qui produisent ces

deacutechets Fort de ce potentiel les ceacuteramiques issues des FA sont eacutegalement envisageacutees pour le

stockage de lrsquoeacutelectriciteacute sous forme drsquoair comprimeacute

523 Ceacuteramiques issues des laitiers de sideacuterurgie

Les laitiers sont des mineacuteraux artificiels composeacutes de parties non meacutetalliques du minerai de

base et geacuteneacutereacutes en mecircme temps que la production de la fonte ou de lrsquoacier Les laitiers sont des

mateacuteriaux de plus en plus convoiteacutes dans les CSP agrave cause de leur disponibiliteacute et de leur

composition chimique En effet loin de reacuteduire sa production en acier lrsquoindustrie de lrsquoacier a

Verre

Ceacuteramique

Chapitre I 36

connu ces dix derniegraveres anneacutees une augmentation drsquoenviron 5 chaque anneacutee [145] On donne

habituellement au laitier le nom du four duquel il est issu et de la phase de production en cours

dans le proceacutedeacute sideacuterurgique Ainsi comme illustreacute sur la Figure I-16 on distingue les laitiers de

haut fourneau (vitrifieacutes ou cristalliseacutes) les laitiers drsquoacieacuterie de conversion les laitiers drsquoacieacuterie

eacutelectrique [146]

Figure I-16 Vue des diffeacuterents types de laitiers

Les laitiers sont principalement composeacutes de meacutelange de CaO de SiO2 Al2O3 et de MgO qui

repreacutesentent geacuteneacuteralement plus de 90 de leur composition Les laitiers de convertisseurs se

diffeacuterencient des laitiers de haut fourneau notamment par leur forte teneur en fer (oxydes majeurs)

et leur basiciteacute bien plus importante Les caracteacuteristiques physico-chimiques du laitier de haut

fourneau cristalliseacute sont les proches de celles des roches Les laitiers ne sont geacuteneacuteralement pas

consideacutereacutes comme des matiegraveres dangereuses [146] Par conseacutequent les technologies mises au

point pour le traitement des laitiers sont lieacutees agrave lapplication posteacuterieure de ce sous-produit

Plusieurs eacutetudes ont eacuteteacute meneacutees sur lrsquoeacutelaboration de ceacuteramiques agrave partir de laitier pour des

applications de stockage de la chaleur [15138139147] Dans la plupart des cas le proceacutedeacute

drsquoeacutelaboration par fusion avec mise en forme a eacuteteacute utiliseacute

Calvet et al [138147] en 2013 ont effectueacute des caracteacuterisations preacuteliminaires des laitiers de

fours eacutelectriques Dans ces travaux les analyses thermogravimeacutetriques nrsquoont montreacute aucune perte

de masse entre 300 degC et 1200 degC sous argon et une faible augmentation de la masse observable

lorsque lair est utiliseacute comme gaz de purge en raison de loxydation du fer meacutetallique (315) qui

reste dans les deacutechets La capaciteacute calorifique des eacutechantillons de laitiers a eacuteteacute mesureacutee entre

50 degC et 900 degC et preacutesente des valeurs comprises entre 0600 et 0800 kJmiddotkg-1

middotdegC-1

La

conductiviteacute thermique a quant agrave elle eacuteteacute mesureacutee par le Laser Flash entre 50 degC et 900 degC Les

valeurs varient entre 14 et 1 Wmiddotm-1

middotdegC-1

avec un coefficient drsquoexpansion thermique de 87 10-6

K-

1 Ces valeurs sont relativement faibles compareacutees agrave celles des CFA Ce qui implique la neacutecessiteacute

drsquoaugmenter la surface deacutechange thermique entre le HTF et le mateacuteriau afin obtenir un systegraveme de

stockage satisfaisant

Dejean pendant ses travaux de thegravese dans le cadre drsquoune collaboration avec lrsquoentreprise EDF

et le groupe Arcelor Mittal a eacutetudieacute le potentiel de valorisation des laitiers sideacuterurgiques comme

mateacuteriaux de stockage thermique pour des applications CSP et CAES [15] Les caracteacuterisations

thermomeacutecaniques ont permis de comparer les mateacuteriaux obtenus aux mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir

de Cofalit en termes de reacutesistance agrave lrsquoendommagement et aux chocs thermiques A partir de tests

reacutealiseacutes entre la tempeacuterature ambiante et 850 degC sur un garnissage constitueacute de 25 agrave 30 plaques de

ceacuteramique eacutelaboreacutees aucune des 30 plaques de ceacuteramique de laitier de haut fourneau nrsquoa subi de

laitiers de haut fourneau cristalliseacutes

laitiers de haut fourneau vitrifieacutes

laitiers de fours eacutelectriques

laitiers de convertisseurs

Chapitre I 37

dommages apregraves 150 cycles drsquoamplitude supeacuterieure agrave 600degC Un dispositif expeacuterimental original a

permis de tester la reacutesistance agrave la fissuration des ceacuteramiques Le dispositif a permis drsquoimposer

gracircce agrave un flux solaire concentreacute des sollicitations extrecircmes (15000 degCmiddotmin-1

et 3500 degCmiddotmin-1

)

aux eacutechantillons de ceacuteramiques Les plaques de ceacuteramique eacutelaboreacutees agrave partir de laitier de haut

fourneau ont montreacute une bonne reacutesistance agrave lrsquoendommagement et agrave la fissuration

Ortega et al [148] ont compareacute les proprieacuteteacutes thermo physiques de deux laitiers EAF ayant

chacun fait lrsquoobjet de traitement thermique allant de 3 heures agrave plusieurs jours Lrsquoeacutetude de stabiliteacute

thermique a eacuteteacute reacutealiseacutee par analyse thermogravimeacutetrique dans lintervalle de 200 agrave 1000 degC et la

stabiliteacute chimique a eacuteteacute eacutetudieacutee en utilisant un four eacutelectrique agrave 1000 degC pendant 500 h sous air

Les reacutesultats ont montreacute que les laitiers sont thermiquement stables jusquagrave 1000 degC et qursquoaucune

reacuteaction chimique na eacuteteacute deacutetecteacutee Une analyse de compatibiliteacute chimique a eacutegalement eacuteteacute faite agrave

la suite de ces travaux par Mills [149] qui a eacutetudieacute la reacuteactiviteacute du laitier avec les eacuteleacutements

classiques utiliseacutes lors de la fabrication de lacier et latmosphegravere La reacuteaction entre le laitier et les

mateacuteriaux utiliseacutes lors de la fabrication de lacier a permis de formuler des recommandations quant

aux meacutetaux et alliages agrave utiliser dans le reacuteservoir En ce qui concerne latmosphegravere Mills a analyseacute

la formation de diffeacuterents oxydes sous oxygegravene azote et en preacutesence dhumiditeacute

Une eacutetude faite par Ortega et al [139] eacutevalue la compatibiliteacute des laitiers en contact avec

trois HTF de lrsquohuile syntheacutetique (Syltherm 800) des sels fondus (solaire sel) et de lair Le

niveau de reacuteaction de ces laitiers avec ces fluides dans des conditions reacuteelles drsquoutilisation des

centrales CSP (agrave 400 degC 500 degC et 1000 degC) a eacuteteacute eacutetudieacute pendant 500 h Les reacutesultats ont reacuteveacuteleacute

que certaines modifications structurelles dans le laitier se produisent lorsque lon travaille avec de

lair agrave 1000 degC comme HTF Ces modifications ont eacutegalement eacuteteacute observeacutees dans les travaux

preacuteceacutedents du mecircme auteur [149] qui a conclu que le mateacuteriau obtenu est totalement stable En ce

qui concerne les sels fondus et Syltherm 800 les reacutesultats montrent qursquoil nrsquoy a pas de grandes

transformations ni dans les fluides ni dans les laitiers concluant que les laitiers sont entiegraverement

compatibles avec les deux fluides aux tempeacuteratures testeacutees

Toutefois mecircme si les reacutesultats ne sont pas suffisants pour garantir une dureacutee de vie de 25

ans ils permettent neacuteanmoins de valider le concept drsquoutilisation de ceacuteramique issue de laitiers de

haut fourneau comme mateacuteriau de stockage thermique haute tempeacuterature pour des systegravemes tels

que les thermoclines

53 Conclusion sur les mateacuteriaux alternatifs issus de deacutechets industriels

Ces derniegraveres anneacutees la valorisation des sous-produits industriels et des deacutechets a montreacute un

potentiel inteacuteressant comme source de matiegravere premiegravere pour lrsquoeacutelaboration de TESM Dans cette

partie nous avons preacutesenteacute les deacutechets amianteacutes les cendres volantes et les laitiers comme des

sources de matiegraveres premiegraveres inteacuteressantes Toutefois drsquoautres deacutechets comme ceux provenant de

lindustrie des meacutetaux du traitement du cuivre de lrsquoindustrie du sel et de lindustrie de

laluminium nrsquoont pas eacuteteacute pris en consideacuteration ici [131ndash134] Ces derniers repreacutesentent

eacutegalement une source potentielle de matiegravere premiegravere pour les CSP Globalement la plupart des

ceacuteramiques issues des deacutechets eacutetudieacutes jusquagrave preacutesent neacutecessitent une validation agrave lrsquoeacutechelle

industrielle mecircme si certains comme le Cofalit ont eacuteteacute testeacutes agrave leacutechelle preacuteindustrielle Il est

eacutegalement inteacuteressant de noter que drsquoune part les coucircts des mateacuteriaux ne sont toujours

disponibles et que drsquoautre part lrsquoanalyse du cycle de vie de ces mateacuteriaux pour une utilisation

Chapitre I 38

dans les CSP nrsquoa eacuteteacute reacutealiseacutee que pour le Cofalit Neacuteanmoins la valorisation de ces deacutechets

repreacutesente deacutejagrave une alternative viable et peut contribuer agrave reacuteduire lrsquoempreinte de lrsquoactiviteacute

industrielle dont elles proviennent De plus en fonction du type de deacutechet il est parfois

indispensable drsquoeffectuer un traitement approprieacute du deacutechet impliquant un coucirct non neacutegligeable

pour les industries

Dans une optique de reacuteduction de lrsquoimpact environnemental et du coucirct des mateacuteriaux il est

primordial de prendre en compte les reacutealiteacutes locales Cela peut se faire par la valorisation des

ressources locales qui passe par une identification au niveau local des candidats potentiels comme

HTF ou comme TESM Par conseacutequent il est primordial drsquoidentifier les ressources locales

disponibles et valorisables en mateacuteriaux de stockage de la chaleur Lrsquoun des avantages de cette

approche est de mener agrave une reacuteduction des eacutemissions des gaz agrave effet de serre produits par le

transport du mateacuteriau Par ailleurs la possibiliteacute de disposer des mateacuteriaux agrave volonteacute et agrave proximiteacute

du lieu drsquoutilisation repreacutesente un avantage consideacuterable Toutefois mecircme si certains mateacuteriaux

sont disponibles agrave proximiteacute des sites drsquoutilisation un traitement est tregraves souvent neacutecessaire pour

deacutevelopper des structures stables du mateacuteriau Drsquoautre part puisque les proceacutedeacutes de traitement

conventionnels sont eacutenergeacutetivores il est indispensable dans ces cas de proposer des proceacutedeacutes de

traitement qui demandent moins drsquoeacutenergie Cette analyse que nous venons de faire montre agrave quel

point la valorisation des mateacuteriaux naturels des deacutechets et autres sous-produits comme mateacuteriaux

de stockage de la chaleur de mise et pourquoi des recherches suppleacutementaires sont donc

neacutecessaires pour parvenir agrave un deacuteploiement industriel de lrsquoapproche

Chapitre I 39

6 Conclusion positionnement et objectifs de la thegravese

La technologie CSP est une technologie prometteuse qui peut permettre de reacuteduire limpact

environnemental de la production deacutelectriciteacute dans le monde et en particulier en Afrique de

lrsquoOuest Toutefois le deacuteveloppement de cette technologie tel que programmeacute nest pas encore

viable sur le plan eacuteconomique et environnemental pour les pays drsquoAfrique de lrsquoOuest La

variabiliteacute de la ressource place le stockage au cœur du systegraveme de production drsquoeacutelectriciteacute par

concentration solaire Ceci est drsquoautant plus vrai que le stockage est consideacutereacute comme lrsquoun des

principaux atouts de la technologie CSP Par conseacutequent lrsquoun des deacutefis majeurs pour la

technologie CSP est de deacutevelopper des TESM efficaces et viables pour les CSP Les critegraveres de

seacutelection des mateacuteriaux de stockage autrefois utiliseacutes ne sont plus valables face aux enjeux actuels

Crsquoest pourquoi il est neacutecessaire de se poser la question laquo quels mateacuteriaux de stockage de la

chaleur pour les centrales solaires agrave concentration en Afrique et particuliegraverement en Afrique de

lrsquoOuest raquo

Lrsquoobjectif principal de cette eacutetude est de traiter la probleacutematique du stockage drsquoeacutenergie

thermique appliqueacutee aux centrales eacutelectro solaires thermodynamiques dans le cas du continent

africain Lrsquoeacutetude est reacutealiseacutee selon une approche reacutecente qui consiste agrave valoriser des mateacuteriaux

disponibles localement naturels ou issus du traitement de deacutechets par vitrification comme

lrsquoamiante ou les cendres volantes Le coucirct geacuteneacuteralement prohibitif du stockage peut ecirctre de ce

fait reacuteduit ainsi que son impact environnemental La valorisation des deacutechets permet aussi de

favoriser le deacuteveloppement des filiegraveres de traitement des sous-produits en leur donnant une haute

valeur ajouteacutee et un deacuteboucheacute Lapproche que nous proposons est de mettre en œuvre des eacuteco-

mateacuteriaux pour le stockage de la chaleur par formulation et traitement thermique agrave partir de

mateacuteriaux naturels et recycleacutes disponibles localement Pour ce faire nous avons utiliseacute un proceacutedeacute

de traitement hybride (solaire et eacutelectrique) permettant une reacuteduction significative de la

consommation deacutenergie du traitement Cela devrait permettre

De reacuteduire le coucirct final des mateacuteriaux

Drsquoavoir un temps de retour eacutenergeacutetique bas (leacutenergie requise pour le traitement du deacutechet

eacutetant rentabiliseacutee avant sa fin de vie)

De reacuteutiliser de la matiegravere ce qui permet agrave lindustrie de disposer drsquoun espace libre

initialement deacutedieacute au stockage tout en creacuteant de la valeur ajouteacutee pour les sous-produits de

lrsquoentreprise

De deacutevelopper une filiegravere locale de traitement creacuteant ainsi de lrsquoemploi et des deacuteboucheacutes

pour les populations locales

De reacuteduire lrsquoimpact des entreprises sur lrsquoenvironnement

Les enjeux de recherche qui en deacutecoulent pour cette thegravese sont principalement

Lrsquoidentification des mateacuteriaux locaux naturels etou recycleacutes pouvant permettre de stocker

lrsquoeacutenergie thermique sous forme de chaleur sensible

Lrsquoeacutelaboration et la caracteacuterisation de mateacuteriaux de stockage agrave partir de ressources

identifieacutees

Chapitre II 40

Chapitre II Identification et

caracteacuterisation de ressources potentielles

en Afrique de lrsquoOuest

Chapitre II 41

Introduction

Dans le chapitre preacuteceacutedent nous avons mis en lumiegravere les contraintes principales des

technologies de stockage thermique agrave haute tempeacuterature notamment sur les mateacuteriaux de

stockage La conclusion la plus marquante qui en deacutecoule est qursquoil faut adapter la technologie

aux reacutealiteacutes locales tout en promouvant des sources alternatives de matiegraveres premiegraveres Dans ce

chapitre nous focalisons notre recherche sur lrsquoidentification et la caracteacuterisation de ressources

susceptibles de contribuer agrave deacutevelopper de nouveaux mateacuteriaux en Afrique de lrsquoOuest

Lrsquoobjet de ce chapitre est de preacutesenter des candidats alternatifs valorisables dans la reacutegion

de lAfrique de lOuest Au regard de la revue preacutesenteacutee dans le chapitre 1 nous limiterons nos

investigations aux roches aux deacutechets industriels et aux huiles veacutegeacutetales Dans un premier

temps lrsquoeacutetude est consacreacutee au potentiel de matiegraveres premiegraveres drsquointeacuterecirct identifieacutees en Afrique

de lrsquoOuest Les candidats seacutelectionneacutes sont ensuite preacutesenteacutes Leur disponibiliteacute et leur inteacuterecirct

pour le stockage sont discuteacutes au regard de la litteacuterature disponible Par la suite les meacutethodes et

moyens mis en jeux pour leur caracteacuterisation sont deacutecrits ainsi que les meacutethodes

deacutechantillonnage Les caracteacuterisations structurales morphologiques chimico-physiques et

thermophysiques suivront afin de mettre en exergue le potentiel des mateacuteriaux seacutelectionneacutes En

combinant cette caracteacuterisation agrave lrsquoeacutetude bibliographique nous faisons le choix agrave la fin de cette

partie des mateacuteriaux qui feront lrsquoobjet drsquoanalyses plus approfondies dans la suite de lrsquoeacutetude

Chapitre II 42

1 Candidats potentiels en Afrique de lrsquoOuest

11 Critegraveres de seacutelection des mateacuteriaux de stockage

Les mateacuteriaux conventionnels ne sont pas des solutions viables pour ecirctre utiliseacutees en

grande quantiteacute comme TESM ou HTF en raison de leurs coucircts tregraves eacuteleveacutes et de leurs

disponibiliteacutes mais aussi de leur impact environnemental consideacuterable Les communauteacutes

scientifiques et industrielles se sont mobiliseacutees dans le but de proposer un cahier de charges agrave

respecter dans le choix des mateacuteriaux de stockage de la chaleur afin de trouver une solution

durable Les experts de lrsquoAIE ont proposeacute en 2008 un certain nombre de critegraveres de seacutelection des

TESM sensible Ainsi le mateacuteriau de stockage laquoideacutealraquo pour les centrales eacutelectro-solaires devrait

preacutesenter les caracteacuteristiques indiqueacutees dans le Tableau II-1 Drsquoautres travaux comme ceux

meneacutes par Fernandez et al [150] en 2010 sur la seacutelection des mateacuteriaux sensibles pour le

stockage de la chaleur montrent que les proprieacuteteacutes de base telles que la capaciteacute thermique

volumique et la conductiviteacute thermique doivent ecirctre respectivement supeacuterieures agrave 2 MJ m-3

K-1

et

1 W m-1

K-1

Drsquoapregraves le mecircme auteur les mateacuteriaux dont le coucirct est denviron 5000 euro t-1

peuvent

ecirctre consideacutereacutes comme de bons candidats pour le stockage deacutenergie thermique

Malheureusement force est de constater aujourdrsquohui qursquoaucun candidat ne reacuteunit lrsquoensemble de

ces critegraveres

Tableau II-1 Critegraveres de seacutelection des mateacuteriaux de stockage de la chaleur

Techniques

Bonne capaciteacute de stockage (ge 2 MJm-3

K-1

) [150]

Bonne conductiviteacute thermique (ge 1 Wm-1

K-1

) [150] Bon coefficient de transfert de chaleur avec le fluide caloporteur

Bonne stabiliteacute thermique chimique et meacutecanique (ge 1000 degC)

Compatibiliteacute entre le fluide caloporteur ou leacutechangeur de chaleur et le

mateacuteriau de stockage

Economiques

Coucirct du mateacuteriau de stockage (le5000 euro t-1

) [150]

Coucirct de leacutechangeur de chaleur

Coucirct de lespace et des reacuteservoirs

Environnementaux

Strateacutegie de gestion

Ecobilan acceptable

Dureacutee de vie (ge 25 ans)

Disponible en quantiteacute industrielle

Acceptabiliteacute

Les reacutesultats de ces travaux deacutefinissent les ameacuteliorations majeures telles que le coucirct la

stabiliteacute thermique et chimique la dureacutee de vie la disponibiliteacute Il est eacutevident que les critegraveres de

conception usuels (technico-eacuteconomiques) ne sont plus suffisants de nos jours au regard des

enjeux eacutenergeacutetiques et environnementaux actuels Cela pose alors le problegraveme de la soutenabiliteacute

de la transition eacutenergeacutetique par rapport au stockage Pour la transition eacutenergeacutetique il va falloir

beaucoup de stockage et donc beaucoup de mateacuteriaux Cela implique eacuteventuellement que les

besoins en mateacuteriaux de stockage peuvent contribuer agrave leacutepuisement des reacuteserves mineacuterales de la

planegravete De plus en plus des auteurs comme Tiskatine [120] placent la disponibiliteacute et le coucirct au

premier plan de lrsquoeacuteventail des critegraveres de choix des mateacuteriaux de stockage de la chaleur Par

Chapitre II 43

conseacutequent il est indispensable de seacutelectionner des mateacuteriaux offrant non seulement les

meilleurs potentiels en ce qui concerne la capaciteacute calorifique de conductiviteacute thermique et de

stabiliteacute mais avant tout ceux qui sont disponibles localement Par ailleurs les ressources

utiliseacutees ne doivent pas faire lrsquoobjet de conflit dutilisation et doivent si cela est possible avoir un

bon impact social

12 Lrsquohuile veacutegeacutetale de Jatropha Curcas (HVJC)

En Afrique de lrsquoOuest les trois cultures oleacuteagineuses les plus importantes sont le palmier

le coton et lrsquoarachide [151] Certaines autres cultures comme larachide et le kariteacute bien adapteacutees

aux conditions agricoles qui preacutevalent dans la reacutegion et avec un coefficient de transformation

satisfaisant pourraient ecirctre prises en consideacuteration Cependant en raison de leurs prix eacuteleveacutes sur

le marcheacute mais aussi de ceux de certains de leurs produits deacuteriveacutes tels que les cosmeacutetiques ces

canaux sont peu rentables (lrsquohuile darachide coute 980 FCFAmiddotkg-1

et le beurre de kariteacute jusquagrave

2450 FCFAmiddotkg-1

) [152] De faccedilon geacuteneacuterale lrsquoAfrique de lrsquoOuest est deacuteficitaire en corps gras et

ce deacuteficit srsquoaccroicirct chaque anneacutee de 85 000 tonnes Les besoins qui ne cessent drsquoaugmenter sont

couverts par les importations [153]

La transformation des huiles veacutegeacutetales en combustibles pour le transport essentiellement a

beacuteneacuteficieacute dun appui politique significatif en raison de leur rocircle potentiel dans la lutte contre les

changements climatiques et de la perspective de reacuteduction de la deacutependance aux combustibles

fossiles La grande majoriteacute de ces huiles veacutegeacutetales sont couramment utiliseacutees comme carburant

dans les moteurs [154] Toutefois la croissance des cultures dites laquo eacutenergeacutetiques raquo a susciteacute des

inquieacutetudes en raison de leur forte consommation comme combustibles conventionnels engrais

et pesticides de leurs impacts sur les eacutecosystegravemes ainsi que la concurrence induite avec les

cultures vivriegraveres sur les terres arables Ainsi il est important de justifier lutilisation des huiles

veacutegeacutetales pour dautres fins que pour la nutrition Par conseacutequent la contribution des huiles non

comestibles sera importante en tant que source dhuile veacutegeacutetale non comestible pour la

satisfaction des besoins eacutenergeacutetiques [155156] Ceci est drsquoautant plus important que les

valorisations comme pour le stockage ou pour le transfert de la chaleur peuvent ecirctre envisageacutees

Ainsi une attention particuliegravere doit ecirctre porteacutee sur le choix de lrsquohuile plus particuliegraverement en

Afrique de lrsquoOuest ougrave la plupart des cultures sont deacutedieacutees agrave lrsquoalimentation Les espegraveces agrave faible

apport dintrants non comestibles et adapteacutees aux reacutegions semi-arides beacuteneacuteficient dun inteacuterecirct

particulier comme alternatives pour la production de biocarburants en minimisant les effets

neacutegatifs sur lenvironnement et lapprovisionnement alimentaire [156] Le jatropha peut produire

de lrsquohuile dans des climats rudes Les plantes comme le Jatropha curcas permettraient de

reacuteduire drsquoune part les besoins en eacutenergies fossiles et drsquoautre part les impacts environnementaux

sur lacidification leacutecotoxiciteacute leutrophisation et la pression sur la ressource en eau [157]

La production et la valorisation des huiles veacutegeacutetales pourraient par ailleurs contribuer agrave

satisfaire les besoins de nombreuses filiegraveres eacutenergeacutetiques comme les CSP tout en creacuteant de

nouveaux deacuteboucheacutes Reacutecemment le Jatropha curcas a fait lrsquoobjet drsquoune attention particuliegravere

en tant que matiegravere premiegravere potentielle pour la production de biocarburant en Afrique de

lrsquoOuest De nombreuses expeacuteriences ont eacuteteacute meneacutees pour eacutevaluer les utilisations possibles de

lrsquohuile de Jatropha curcas meacutelangeacutee agrave du carburant dieacutesel ou de lhuile transesteacuterifieacutee (biodieacutesel)

[2324]

Chapitre II 44

Figure II-1 (a) Zones geacuteographiques africaines propices pour la croissance du Jatropha

curcas [86] (b) Processus de croissance du Jatropha curas

Lrsquo HVJC preacutesente habituellement une composition chimique correspondant dans la plupart

des cas agrave un meacutelange de 95 de triglyceacuterides et de 5 dacides gras libres des steacuterols de cires et

drsquoimpureteacutes diverses [85] La composition de lhuile et certaines proprieacuteteacutes connexes peuvent

deacutependre de la varieacuteteacute du Jatropha curcas utiliseacutee pour sa production et de la meacutethode

dextraction [158159] En geacuteneacuteral lhuile de Jatropha curcas agrave une teneur denviron 18 agrave 24

dacides gras satureacutes et 73 agrave 79 dacides gras insatureacutes [88160] Lrsquoacide oleacuteique et lacide

linoleacuteique sont les acides gras dominants alors que lacide palmitique et lacide steacutearique sont les

principaux acides gras satureacutes que lrsquoon retrouve dans lhuile [161] Cette composition confegravere agrave

lrsquohuile des caracteacuteristiques physiques chimiques et thermophysiques particuliegraveres que nous

allons eacutetudier dans la partie qui va suivre

Malgreacute lrsquointeacuterecirct que preacutesente lrsquo HVJC pour les applications CSP elle nrsquoa agrave notre

connaissance jamais eacuteteacute utiliseacutee dans une centrale CSP mecircme de petite taille Elle est preacutevue

pour ecirctre utiliseacutee dans la centrale CSP4Africa en construction au 2iE Ainsi une comparaison

preacuteliminaire entre lrsquo HVJC et les huiles commerciales actuellement utiliseacutees dans les CSP a eacuteteacute

faite afin deacutevaluer le potentiel de lrsquo HVJC (Tableau II-2) Agrave titre drsquoexemple Xceltherm 600 a

eacuteteacute utiliseacutee pour une installation CSP fonctionnant en dessous de 200 degC (Holaniku agrave Keahole

Point 500 kWe [162]) ou entre 120 et 300 degC (Centrale eacutelectrique de Saguaro 1 MWe [163])

tandis que Syltherm XLT a eacuteteacute consideacutereacutee agrave moins de 200 degC (Sun2Power 25 kWe [164])

Tableau II-2 Comparaison des caracteacuteristiques thermophysiques et chimiques de lrsquo HVJC avec

Therminol VP-1 Xceltherm 600 et Syltherm XLT

Uniteacutes Therminol

VP-1 [165]

Xceltherm 600

[166]

Syltherm XLT

[167]

HVJC

Type - Aromatique

syntheacutetique

Mineacuterale Silicone

syntheacutetique

Veacutegeacutetale

Chapitre II 45

Composition - Dipheacutenyle

Oxide

(C12H10O)

Biphenyl

(C12H10)

Paraffine Dimethyl

Polysiloxane

(CH3)2SiO

(CH3)3SiO

Triglyceacuterides

Acides gras

libres

Tempeacuterature

maximale

drsquoutilisation

degC 400 316 260

Point eacuteclair degC 124 193 47 220-240

[168169]

Point de feu degC 127 216 54 275 [169]

Point

drsquoeacutebullition

degC 257 301 200 295 [169]

Point

drsquoeacutecoulement

agrave 1013 mbar

degC 12 -29 -11 3 [169]

Aciditeacute mgmiddotKOHmiddotg-1

lt02 - 001 11 [169]

Viscositeacute

cineacutematique

agrave 40 degC

mmsup2middots-1

248 155 11 30 [170]

32 [85171]

35 [169]

Viscositeacute

dynamique agrave

40 degC

mPamiddots 261 15 1 36

Viscositeacute

dynamique agrave

210 degC

mPamiddots 037 055 023 173b

Densiteacute agrave

40deg C

kgmiddotm-3

1068 841 834 926

Densiteacute agrave

210deg C

kgmiddotm-3

904 736 660 802b

Conductiviteacute

thermique agrave

210 degC

Wmiddotm-1

middotK-1

011 013 006 014

Capaciteacute

calorifique agrave

210 degC

kJmiddotkg-1

middotdegC-1

2075 2643 2171 2509 [170]

Densiteacute

eacutenergeacutetique agrave

210 degC

kJmiddotm-3

middotdegC-1

1876 1945 1433 2012

Coucirct euromiddott-1

25000d - 29400

d e [164]

835

Coucirct


ΔT=100 degC

euromiddotkWh-1

464 - 573 12

Gaz agrave effet

de serre

kgmiddotCO2eqmiddotkg-

1

3 - - 2

Chapitre II 46

a Les reacutesultats de nos propres mesures

b Ces coucircts nincluent pas la manutention en particulier les coucircts de transport ce qui peut ecirctre

important lorsquon importe des produits c Prix obtenu chez un distributeur officiel en 2015

La capaciteacute thermique est preacutesenteacutee agrave la fois en termes de masse et de volume le coucirct

dinvestissement correspondant est habituellement baseacute sur la masse tandis que le volume

correspondant est dun grand inteacuterecirct pour la conception de luniteacute de stockage Mecircme si la masse

volumique de lrsquoHVJC est infeacuterieure aux autres huiles les capaciteacutes thermiques speacutecifiques des

diffeacuterents fluides sont similaires

Avec une valeur de 2012 kJmiddotm-3

middotK-1

lrsquoHVJC a une densiteacute eacutenergeacutetique qui est bien plus

eacuteleveacutee que celle de Siltherm XLT (1433 kJmiddotm-3

middotK-1

) En ce qui concerne le coucirct il est de 835 euromiddott-

1 pour lrsquoHBJC qui est 35 fois moins cher que lrsquohuile syntheacutetique Syltherm XLT (29400 euromiddott

-1)

Selon Fernandez et al [172] les mateacuteriaux agrave faible coucirct denviron 5000 euromiddott-1

peuvent ecirctre

consideacutereacutes comme des candidats pertinents de stockage deacutenergie thermique Les coucircts de

leacutenergie pour une variation de 100 degC de tempeacuterature suivent eacutegalement la mecircme tendance Le

coucirct de stockage de 1 kWh deacutenergie pour un systegraveme de stockage agrave deux reacuteservoirs fonctionnant

entre 110 degC et 210 degC avec lrsquoHVJC est de 12 euro ce qui est 48 fois plus faible qursquoavec

Syltherm XLT (573 euro kWh-1

) Ainsi le coucirct dinvestissement correspondant pour le systegraveme de

stockage utilisant lrsquoHVJC est consideacuterablement reacuteduit Pour ce qui est des proprieacuteteacutes physiques

le point eacuteclair et le point de feu de lrsquoHVJC sont plus eacuteleveacutes que ceux de Therminol VP-1 et

Syltherm XLT

Concernant les aspects seacutecuritaires le point eacuteclair et le point de feu sont de bons

indicateurs Le point eacuteclair et le point de feu fournissent des informations sur la volatiliteacute du

fluide ou sa capaciteacute agrave geacuteneacuterer de la vapeur dans certaines conditions En cas de fuite importante

dans la centrale solaire un fluide avec un point deacuteclair infeacuterieur va geacuteneacuterer plus de vapeurs

creacuteant un plus grand risque dincendie Le point eacuteclair et le point de feu de lrsquohuile de Jatropha

Curcas sont supeacuterieurs agrave ceux des huiles syntheacutetiques Les risques potentiels drsquoincendie lors de

lrsquoutilisation et du stockage drsquoune telle huile sont donc reacuteduits par rapport aux huiles syntheacutetiques

La viscositeacute dynamique de lrsquoHVJC agrave 40 degC est 14 fois plus eacuteleveacutee que celle de lrsquohuile

Therminol VP-1 par exemple Neacuteanmoins la viscositeacute dynamique de lrsquoHVJC agrave 210 degC est

fortement reacuteduite et nrsquoest plus que de 5 fois environ celle des huiles syntheacutetiques Par ailleurs la

viscositeacute dynamique de lrsquoHVJC agrave 40 degC nrsquoest que 2 fois celle de lrsquohuile mineacuterale Xceltherm 600

Ainsi la consommation deacutenergie eacutelectrique des pompes de circulation serait la plus eacuteleveacutee dans

le cas de lutilisation de lrsquoHVJC mais leffet de cet inconveacutenient serait limiteacute puisque les

consommations des pompes de circulation sont geacuteneacuteralement petites par rapport agrave la production

deacutelectriciteacute de la centrale Laciditeacute des huiles veacutegeacutetales est geacuteneacuteralement due agrave la qualiteacute de la

matiegravere premiegravere ainsi qursquoaux proceacutedeacutes de production et de stockage Cette aciditeacute peut ecirctre

consideacuterablement reacuteduite en utilisant des proceacutedeacutes adapteacutes tels que la saponification pour

produire une huile veacutegeacutetale raffineacutee Par conseacutequent si on fait abstraction de la viscositeacute et de

lrsquoaciditeacute eacuteleveacutees de lrsquo HVJC ces premiegraveres consideacuterations nous conduisent agrave un potentiel de

lrsquoHVJC comme TESM ou HTF eacuteleveacute

Chapitre II 47

Agrave ce stade les avantages dune utilisation de lrsquoHVJC comme TESM ou HTF en

comparaison avec les huiles conventionnelles sont (1) une production locale proche de la zone

drsquoutilisation en fonction des diffeacuterentes varieacuteteacutes de Jatropha Curcas preacutesente dans divers pays

(2) une reacuteduction du coucirct de transport lieacutee agrave lrsquoimportation des huiles syntheacutetiques (3) une

biodeacutegradabiliteacute en cas de disseacutemination accidentelle dans lenvironnement ou en cas

drsquoexplosion (4) une utilisation simultaneacutee comme HTF et TESM proche de la pression

atmospheacuterique (5) et dans une moindre mesure un impact bien que limiteacute dans le

deacuteveloppement communautaire en raison de la creacuteation potentielle demplois De plus sur

lrsquoespace drsquoimplantation du champ solaire le taux doccupation du terrain reste assez faible

(habituellement de 30) et peut ecirctre avantageusement utiliseacute pour produire simultaneacutement

lrsquohuile veacutegeacutetale En effet en dessous et entre les miroirs les plantes peuvent ecirctre cultiveacutees en

profitant dun ombrage partiel dans les zones deacutesertiques Une telle culture dans lrsquoespace libre

entre les heacuteliostats du champ reacuteduira lrsquoempoussiegraverement des miroirs et augmentera le rendement

de ceux-ci Leau utiliseacutee pour nettoyer les miroirs peut ecirctre directement collecteacutee et utiliseacutee pour

les besoins de la culture Lensemble du systegraveme produirait au moins partiellement sa propre

huile veacutegeacutetale neacutecessaire pour la centrale et offrirait des deacuteboucheacutes aux populations locales Une

telle utilisation permettrait de srsquoaffranchir de lrsquoimportation dhuiles syntheacutetiques Toutefois les

heacuteliostats dans le type de centrales envisageacutees eacutetant de petite taille les arbres pourraient gecircner

ou creacuteer de lrsquoombrage Une eacutetude sur la position optimale des plantes devrait den savoir plus On

peut par exemple utiliser les plantes comme une barriegravere veacutegeacutetale autour de la centrale

Toutefois il est utile de rappeler que la quantiteacute dhuile neacutecessaire pour des applications

thermiques comme les CSP est tregraves petite par rapport aux besoins de carburant drsquoun moteur agrave

combustion Lhuile nest pas consommeacutee comme dans un moteur agrave combustion elle est stockeacutee

et utiliseacutee en circuit fermeacute Pour linstallation drsquoun micro-CSP de 100 kWth preacutevue dans le cadre

de CSP4Africa la quantiteacute dhuile requise est de 43 m3 pour le stockage [33] et denviron 50 l

pour la boucle de circulation Cette quantiteacute dhuile pourrait provenir de la production annuelle

de 2 agrave 12 ha de champs de Jatropha curcas en fonction de lapprovisionnement en eau et de la

fertiliteacute du sol [173] Et si lhuile est stable son remplacement peut intervenir apregraves plusieurs

anneacutees Par conseacutequent la quantiteacute dhuile requise est relativement faible

13 Les roches

131 La lateacuterite

1311 Deacutefinition formation et composition de la lateacuterite

Geacuteneacuteralement rouges les lateacuterites sont riches en sesquioxydes (Fe2O3 ou Al2O3) mais

peuvent eacutegalement contenir des quantiteacutes appreacuteciables de quartz (SiO2)et de kaolinite

(Si2O5Al2(OH)4) [174] Dans certaines lateacuterites les proportions en fer peuvent atteindre 80 de

la masse totale Les reacuteactions chimiques entre les roches exposeacutees agrave la surface et leau de pluie

infiltreacutee sont controcircleacutees par la composition mineacuterale des roches et de leurs proprieacuteteacutes physiques

telles que le clivage et la porositeacute qui favorisent linfiltration de leau Dautres facteurs comme

les proprieacuteteacutes de leau les constituants dissouts la tempeacuterature et laciditeacute peuvent contribuer agrave

acceacuteleacuterer la formation de la lateacuterite [174175] Ces paramegravetres sont eux-mecircmes controcircleacutes par le

climat la veacutegeacutetation et la morphologie

Chapitre II 48

La composition et les proprieacuteteacutes des lateacuterites peuvent ecirctre assez variables et sont fortement

controcircleacutees par lrsquoorigine de la roche megravere On distingue essentiellement deux groupes types

[176177]

(1) les lateacuterites formeacutees sur les roches mafiques (basalte gabbro) et les lateacuterites formeacutees

sur les roches ultrabasiques (serpentinite dunite peacuteridotite) Ces roches ont une faible

quantiteacute de quartz Ainsi les teneurs en silice sont tregraves faibles compareacutees aux teneurs en

fer

(2) les lateacuterites formeacutees sur les roches acides (granites argile et gneiss granitiques) Ces

roches contiennent geacuteneacuteralement une grande quantiteacute de quartz Les teneurs en silice

sont tregraves eacuteleveacutees Par contre les teneurs en fer sont tregraves faibles

Le Tableau II-3 Diffeacuterentes lateacuterites formeacutees en fonction du type de roche Tableau II-3 preacutesente

les principaux pourcentages deacuteleacutements des roches de ces deux groupes et les lateacuterites

correspondantes

Tableau II-3 Diffeacuterentes lateacuterites formeacutees en fonction du type de roche megravere [177]

SiO2 Al2O3 Fe2O3 Fe2O3Al2O3

Roches megraveres

acides

(SiO2ge50)

Lateacuterite 42 245 163 067

Granite 7333 163 31 019


Argile 565 244 53 022

Roche megravere

basique (SiO2le50)

mafique et

ultramafique


Basalte 48 13 15 109


Serpentinite 388 07 94 141

Les lateacuterites formeacutees sur les roches basiques ont geacuteneacuteralement des rapports (Fe2O3Al2O3)

similaires agrave ceux de la roche megravere sous-jacente Dautre part les lateacuterites sur roches acides

montrent des ratios en geacuteneacuteral plus eacuteleveacutes que ceux des roches megraveres

Comme on peut le constater sur la Figure II-2 la couronne lateacuteritique couvre une zone

eacutetendue des pays tropicaux agrave un climat humide Les principales reacutegions du monde ougrave lrsquoon trouve

des lateacuterites sont lAmeacuterique du Sud lInde lAsie du Sud-Est lrsquoAustralie et lrsquoAfrique

subsaharienne En comparant les cartes de la ceinture lateacuteritique du monde (Figure II-2) et de la

ceinture solaire (Figure 0-3-a) on remarque une intersection des deux domaines dinteacuterecirct En

Afrique de lrsquoOuest en particulier au Burkina Faso les lateacuterites sont couramment utiliseacutees pour la

construction des habitations ou la stabilisation des routes [178179]

Chapitre II 49

Figure II-2 Carte mondiale de la ceinture lateacuteritique adapteacutee de [180]

Neacuteanmoins leur disponibiliteacute est suffisante pour ecirctre consideacutereacutee comme une source locale de

matiegravere premiegravere pour lrsquoeacutelaboration des TESM durables agrave faible coucirct Par conseacutequent aucun

conflit dusage nest agrave craindre

1312 Comportement thermique des phases mineacuterales de la lateacuterite

Du point de vue mineacuteralogique les lateacuterites sont geacuteneacuteralement composeacutees de kaolinite

dheacutematite de goethite de quartz de chlorite et de talc Le comportement thermique des

diffeacuterents mineacuteraux de la lateacuterite a eacuteteacute eacutetudieacute par plusieurs auteurs de la tempeacuterature ambiante agrave

1300 degC [181ndash184] La Figure II-3 preacutesente le comportement thermique drsquoune roche lateacuteritique

jusqursquoagrave 1300 degC

Figure II-3 Comportement thermique de la lateacuterite (a) DSC (Analyse colorimeacutetrique

diffeacuterentielle) (b) TG (thermogravimeacutetrique)

Pays de lrsquoAfrique de

lrsquoOuest

Sols lateacuteritiques

a) b)

Chapitre II 50

Sous lrsquoeffet de traitement thermique en fonction de leur composition et de la mineacuteralogie

les mineacuteraux lateacuteritiques peuvent preacutesenter diffeacuterentes transitions de phase et plusieurs reacuteactions

de deacutehydroxylation Lrsquoeau est le premier constituant qui reacuteagit dans le mateacuteriau On remarque

sur la Figure II-3-(a) un pic endothermique vers 100 degC qui est caracteacuteristique du deacutepart de lrsquoeau

libre

Entre 300 et 500 degC la deacutehydroxylation de la phase goethite donne naissance agrave lheacutematite

dapregraves lEquation (II-1) [185186]

2 α-FeOOH rarr α-Fe2O3 + H2O

Goethite Heacutematite

(II-1)

La kaolinite et drsquoautres mineacuteraux sont formeacutes par la deacutecomposition des feldspaths par des

processus geacuteologiques comme lrsquohydratation (Equation 2)

2KAlSi2O8+3H2O rarr Si2O5Al2(OH)4 SiO2 + 2K(OH)

Feldspaths kaolinite

( 1 )

Au cours du chauffage la phase kaolinite subit un certain nombre de pheacutenomegravenes thermiques

observables sur la courbe DSC de la Figure II-3-a Dans une plage de tempeacuterature de 550 agrave

650 degC la phase de la kaolinite est transformeacutee en meacutetakaolinite [187] Cette reacuteaction correspond

agrave un pic endothermique caracteacuteristique de la deacutehydroxylation due au deacutepart de leau de

constitution agrave travers le meacutecanisme de diffusion Cette transformation est deacutecrite par

lrsquoEquation (II-2)

2 Si2O5Al2(OH)4 rarr 2 Al2O3Si2O7 + 2 H2O

kaolinite meacutetakaolinite

(II-2)

La nature de la transformation exothermique de la meacutetakaolinite observeacutee vers 900 degC a fait

lobjet de plusieurs eacutetudes [188] Si la kaolinite initiale est bien ordonneacutee une seacutegreacutegation entre

des zones riches en silice et des zones riches en alumine (Al2O3) se fera Ainsi des vitesses de

traitement thermique tregraves faibles favorisent la seacutegreacutegation au sein de la meacutetakaolinite et la

formation de la phase spinelle suivant lEquation 4 suivante [188]

2 Al2Si2O7 rarr Si3Al4O12 + SiO2

Metakaolinite rarr spinelle

( 2 )

En revanche pour des vitesses de traitement eacuteleveacutees la seacutegreacutegation est tregraves limiteacutee favorisant la

formation directe de la mullite Par ailleurs au-dessus de 1100 degC le spinelle peut reacuteagir avec le

quartz reacutesiduel pour eacutegalement donner naissance agrave la mullite de formule 3Al2O3 2SiO2

[189190] Cette voie est encore plus probable pour les kaolinites tregraves deacutesordonneacutees En geacuteneacuteral

agrave plus de 1400 degC la fusion de la lateacuterite commence

Par ailleurs en fonction de la profondeur de preacutelegravevement et du type de roche megravere la

proportion en quartz est diffeacuterente Au-dessus de 1200 degC le quartz alpha (masse volumique

2533 kgmiddotm-3

) se transforme en quartz becircta (masse volumique 2554 kgmiddotm-3

) entrainant un

accroissement volumique denviron 829 et une augmentation des contraintes meacutecaniques [59]

Chapitre II 51

Cette transformation peut ecirctre dommageable surtout si les eacutechantillons ont de grandes

dimensions et si lrsquoapport de chaleur nrsquoest pas homogegravene

De maniegravere geacuteneacuterale les tempeacuteratures de deacutecomposition des mateacuteriaux deacutependent de

nombreux paramegravetres tels que la composition chimique la composition mineacuteralogique la

reacutepartition de la taille des grains la densiteacute et les conditions expeacuterimentales Par conseacutequent

malgreacute les informations issues de la litteacuterature sur la mineacuteralogie des analyses compleacutementaires

doivent ecirctre meneacutees pour confronter les informations ci-dessus

1313 La lateacuterite du Burkina Faso

En Afrique subsaharienne notamment en Afrique de lrsquoOuest la lateacuterisation peut se reacutealiser

sur des roches basiques sous une pluviomeacutetrie de 1100 mmmiddotan-1

alors que sur des granites riches

en quartz cette limite srsquoeacutelegraveve agrave 1250 agrave1300 mmmiddotan-1

Comme nous avons pu le voir sur la Figure

II-2 la lateacuterite est disponible dans la majeure partie de la reacutegion ouest africaine Agrave titre drsquoexemple

et agrave cause de la localisation geacuteographique du projet CSP4Africa nous focaliserons nos

investigations au Burkina Faso La carte ci-dessous (Figure II-4-(a)) preacutesente une carte des sites

drsquoexploitations de la lateacuterite au Burkina Faso La lateacuterite occupe une surface de pregraves de deux tiers

de celle du pays (Figure II-4-(a))

Figure II-4 (a) Cartes de situation des carriegraveres de lateacuterite au Burkina Faso (b) Mine

drsquoextraction des briques de lateacuterite agrave Dano au Burkina Faso

Wyss et al [191] dans une eacutetude meneacutee en 2005 ont dresseacute une carte des pocircles drsquoutilisation de

la lateacuterite au Burkina Faso

Des caracteacuterisations anteacuterieures effectueacutees par Lawane et al [175179] sur la lateacuterite drsquoun

des sites drsquoextraction de Dano au Burkina Faso ont montreacute que la kaolinite (512) le quartz

(199) lheacutematite (63) le goethite (209) et lrsquoanatase (15 ) sont les principales phases

identifieacutees En regravegle geacuteneacuterale les minerais preacutesents dans la lateacuterite sont disposeacutes en quatre

diffeacuterents horizons composites du substrat rocheux de lateacuterite (de bas en haut) lrsquohorizon riche en

kaolinite celle riche en argile celle meuble et riche en fer et enfin celle dure et riche en fer

[175] Il est important de noter qursquoau sein des couches du profil lateacuteritique plusieurs sous-

couches peuvent ecirctre observeacutees Leacutepaisseur de ces sous-couches est tregraves variable Les

a) b)

Chapitre II 52

principales phases mineacuteralogiques identifieacutees devraient donc permettre drsquoappreacutehender son

comportement sous lrsquoeffet de la chaleur et drsquoenvisager de faccedilon encore plus preacutecise les

diffeacuterentes possibiliteacutes de valorisation en fonction de la profondeur de preacutelegravevement de la matiegravere

Jusquagrave preacutesent les roches lateacuteritiques nrsquoont jamais eacuteteacute envisageacutees pour le stockage

thermique Au regard de leur disponibiliteacute et de leur composition mineacuteralogique elles pourraient

repreacutesenter une source essentielle de matiegravere premiegravere locale pour lrsquoeacutelaboration de TESM

durable et agrave faible coucirct Par conseacutequent elles peuvent ecirctre eacutetudieacutees comme candidats pour le

deacuteveloppement durable de la CSP

132 Lrsquoargile

1321 Deacutefinition formation et composition

Lorsque le drainage des roches par leau est suffisant il conduit agrave un processus

geacuteochimique naturel relatif agrave la formation de la kaolinite suivant leacutequation (II-3) Parmi les

mineacuteraux des matiegraveres premiegraveres argileuses la kaolinite reste lun des plus freacutequemment souhaiteacute

et utiliseacute pour la fabrication des ceacuteramiques de grande diffusion comme la porcelaine mais

eacutegalement des ceacuteramiques techniques

2KAlSi3O8+2CO2 + 11H2O rarr 2K+ + 2HCO3 + Si2O5Al2(OH)4 + 4H4SiO4

Feldspath rarr kaolinite

(II-3)

Par contre si le drainage est faible le transfert de potassium est incomplet et il se forme de lillite

(KAl4(Si7Al)O20(OH)4) Par ailleurs lors drsquoun drainage ulteacuterieur cette illite peut poursuivre son

hydrolyse en expulsant le potassium pour conduire alors agrave la kaolinite selon la reacuteaction de lrsquo

lEquation (II-4)

KAl4(Si7Al)O20(OH)4 +2CO2 +15H2Orarr2K+ + 2HCO3+Si2O5Al2(OH)4 +4H4SiO4

Illite rarr kaolinite

(II-4)

En regravegle geacuteneacuterale plus le climat est chaud et pluvieux plus la production de kaolinite est

importante Les argiles kaolinitiques renferment en plus de la kaolinite et dautres phyllosilicates

(micas smectite hellip) des mineacuteraux tels que les oxydes oxyhydroxydes et hydroxydes de fer et

drsquoaluminium la silice les carbonates les sulfates Ces impureteacutes dont les plus couramment

rencontreacutees sont les composeacutes du fer et la silice ont une forte influence sur les proprieacuteteacutes des

argiles

La classification des mineacuteraux argileux est tregraves difficile car elle peut faire intervenir

plusieurs critegraveres diffeacuterents La classification des argiles pour leur utilisation dans lrsquoindustrie

ceacuteramique en particulier peut se faire en fonction de la teneur en Al2O3 [43]

Les argiles agrave faible teneur en alumine (Al2O3 lt 30 en masse) geacuteneacuteralement utiliseacutees

pour la poterie

Les argiles agrave haute teneur en alumine (Al2O3 gt 40 en masse) sont utiliseacutees pour la

fabrication de ceacuteramiques reacutefractaires

Cette classification est tregraves utiliseacutee puisqursquoelle est directement en relation avec les utilisations

des mineacuteraux argileux et vient en compleacutement dune classification plus speacutecifique et plus

Chapitre II 53

geacuteneacuterale baseacutee sur les caracteacuteristiques structurales et morphologiques des cristaux Par ailleurs

elle est facilement applicable aux argiles kaolinitiques Les particulariteacutes des argiles agrave fortes

teneurs en kaolinites seront ainsi preacuteciseacutees dans les paragraphes suivants

1322 Comportement thermique des argiles agrave forte teneur en kaolinite

Les transformations thermiques des kaolinites provenant des argiles peuvent donner en

fonction principalement de la tempeacuterature de traitement et de la vitesse plusieurs phases

cristallographiques [192] Ces derniegraveres comprennent lrsquoalumine le spinelle et la mullite

[190192193] La Figure II-5 preacutesente les diffeacuterentes voies de transformations de la kaolinite en

mullite La composition chimique de la mullite est souvent donneacutee par la formule suivante

Al2(Al2+2xSi2minus2x)O10minusx Avec x = 0 correspondant agrave la sillimanite qui est une phase cristalline

similaire agrave la mullite Pour x = 025 on retrouve la formule de la mullite secondaire (32) [194]

Figure II-5 Organigramme des reacuteactions et transformations de la kaolinite adapteacute de [194]

Dans lrsquointervalle de tempeacuterature 450-550 degC la kaolinite se transforme en meacutetakaolinite par un

processus de deacuteshydroxylation (1) A une tempeacuterature drsquoenviron 980 degC le deacutebut de la

recristallisation de la meacutetakaolinite forme soit une structure spinelle (3) soit une phase alumine

(2) Ces deux phases convergent en fonction de la preacutedominance en quartz pour donner naissance

agrave de la mullite primaire (5) et (4) avec du SiO2 amorphe A des tempeacuteratures supeacuterieures agrave

1100 degC le nombre et la taille des cristaux de la mullite eacutevoluent continuellement et

progressivement La transformation de la mullite primaire en mullite secondaire se fait par un

apport de silice provenant de la phase amorphe reacutesiduelle au-delagrave de 1200 degC Lrsquoavancement de

la reacuteaction (6) deacutepend de la tempeacuterature et du palier de cuisson ainsi que de la pureteacute initiale de

la kaolinite Parallegravelement agrave la formation de la mullite la silice amorphe se transforme en

cristobalite Le taux de conversion deacutepend de la preacutesence drsquoimpureteacutes dans la kaolinite comme

les oxydes de fer et les composeacutes alcalins qui peuvent srsquoassocier agrave la silice pour favoriser

lavancement des reacuteactions et acceacuteleacuterer la croissance des grains

1323 Valorisation des matiegraveres premiegraveres argileuses drsquoAfrique de lrsquoOuest

De nos jours lutilisation des argiles en particulier celles riches en SiO2 et Al2O3 a fait de

grands progregraves dans le domaine de la construction la ceacuteramique industrielle et artisanale et la

poterie En Afrique de lOuest il existe une demande croissante pour de tels mateacuteriaux et les

reacuteserves dargile sont suffisantes pour reacutepondre agrave cette demande [195] La majoriteacute de ces

ceacuteramiques proviennent de matiegraveres premiegraveres silico-alumineuses compacteacutees et consolideacutees par

Kaolinite Meacutetakaolinite

Spinelle

Alumine

Mullite primaire Mullite secondaire(6)(1)

(2)

(3) (5)

(4)

450-550 C 980-1100 C 1200 C

Chapitre II 54

frittage [196] Les argiles de kaolinite sont principalement utiliseacutees pour lrsquoeacutelaboration des

ceacuteramiques dans cette reacutegion Elles sont constitueacutees essentiellement de kaolinite qui est souvent

associeacutee agrave dautres mineacuteraux [197] La preacutesence du quartz est quasi systeacutematique provenant des

processus geacuteologiques de formation des argiles Au Burkina Faso les sols argileux kaolinites

sont principalement utiliseacutes comme source primaire pour les mateacuteriaux de construction (briques

tuiles et carreacutes) Sur la Figure II-6 est preacutesenteacutee une carriegravere de preacutelegravevement de lrsquoargile situeacutee

dans les environs de Ouagadougou On constate que ce mateacuteriau est principalement utiliseacute pour

la fabrication des briques en terre pour la construction

Figure II-6 Carriegravere de preacutelegravevement de lrsquoargile pour la construction agrave Ouagadougou

Dans les sites proches de Ouagadougou (Guilloungou Kilwin Kounda Poa) lrsquoargile correspond

essentiellement agrave de la kaolinite dans laquelle les principales phases mineacuterales sont la kaolinite

la silice lalumine et la goethite La principale transformation sous traitement thermique de ces

argiles a eacuteteacute eacutetudieacutee par Karfa [198] Les reacutesultats montrent que les formes des courbes TGDSC

obtenues sont similaires agrave celles des mateacuteriaux contenant des mineacuteraux argileux Les

transformations correspondantes conduisent agrave la formation de la mullite Par conseacutequent les

argiles du Burkina Faso sont des mateacuteriaux valorisables pour la production de ceacuteramiques

reacutefractaires agrave haute valeur ajouteacutee comme la mullite

Plusieurs auteurs [199ndash201] ont eacutetudieacute lrsquoinfluence des transformations thermiques de

diffeacuterentes sources de kaolinite drsquoAfrique de lrsquoOuest sur leurs proprieacuteteacutes thermiques Apregraves des

traitements thermiques agrave 500 degC 600 degC et 700 degC la deacuteshydroxylation conduit agrave une diminution

progressive de la capaciteacute calorifique par uniteacute de masse Par une caracteacuterisation

compleacutementaire baseacutee sur la diffraction des rayons X et la microscopie eacutelectronique agrave balayage

cette eacutevolution ainsi que celle de la chaleur speacutecifique est interpreacuteteacutee comme une reacuteorganisation

structurale de largile de modifications microstructurales et de cristallisation de la mullite et de la

cristobalite Apregraves la deacuteshydroxylation les valeurs de la capaciteacute calorifique de tous les

mateacuteriaux eacutetudieacutes sont similaires et concordent eacutetroitement avec celles estimeacutees par la regravegle des

meacutelanges Ainsi pour la kaolinite traiteacutee agrave 700 degC (meacutetakaolinite) et agrave des tempeacuteratures plus

eacuteleveacutees (jusquagrave 1400 degC) la capaciteacute calorifique du mateacuteriau obtenu varie entre 750 et

1200 Jmiddotkg-1

middotdegC-1

[199] ce qui est dans la plage des mateacuteriaux solides couramment utiliseacutes pour le

Chapitre II 55

stockage de la chaleur dans les CSP Concernant la conductiviteacute thermique les reacutesultats montrent

que la kaolinite traiteacutee agrave des tempeacuteratures infeacuterieures agrave 1050 degC preacutesente de faibles valeurs de

conductiviteacute thermique efficace infeacuterieures agrave 03 Wmiddotm-1

middotK-1

Un traitement agrave tempeacuterature plus

eacuteleveacutee donne une forte augmentation de la conductiviteacute thermique jusquagrave 3 Wmiddotm-1

middotK-1

[200] Par

ailleurs au cours du traitement thermique de la kaolinite la porositeacute diminue de 40 agrave 4 alors

quen mecircme temps une phase amorphe et des cristaux de mullite et de cristobalite se forment

remplaccedilant la structure stratifieacutee Le mateacuteriau devient donc plus compact laissant entrevoir une

meilleure compaciteacute

La mullite est lune des phases reacutefractaires les plus connues de la ceacuteramique utiliseacutee dans le

monde industriel La mullite est la seule phase intermeacutediaire stable du systegraveme alumine-silice agrave

la pression atmospheacuterique Lrsquoargile de type kaolinite peut ecirctre avantageusement utiliseacutee pour

produire une telle ceacuteramique reacutefractaire qui agrave son tour peut ecirctre utiliseacutee comme TESM agrave haute

tempeacuterature dans les CSP Cependant malgreacute le fort inteacuterecirct susciteacute par ce mateacuteriel nous avons

limiteacute notre eacutetude agrave la preacutesentation de son potentiel En effet les nombreux travaux deacutedieacutes agrave

lrsquoeacutelaboration de ceacuteramiques agrave partir de cette ressource montrent que les mateacuteriaux obtenus sont

principalement composeacutes de mullite [188195198] La caracteacuterisation de la mullite eacutelaboreacutee agrave

partir de ces argiles montre que les proprieacuteteacutes thermo physiques sont similaires agrave celle des

ceacuteramiques industrielles et du beacuteton utiliseacutes dans les CSP [188199200202]

14 Mateacuteriaux issus des coproduits ou de deacutechets industriels

141 Les reacutesidus des centrales eacutelectriques agrave charbon cendres de foyer de SONICHAR

1411 Deacutefinition et formation des cendres de foyer des centrales agrave charbon

Les principaux deacutechets issus des centrales thermiques agrave charbon classeacutes comme produits de

combustion comprennent les cendres volantes les cendres de foyer et les scories de chaudiegravere

Le scheacutema de la Figure II-7 preacutesente les diffeacuterents flux de matiegravere drsquoune centrale thermique agrave

charbon

Chapitre II 56

Figure II-7 Scheacutema du circuit des cendres et des points de reacutecupeacuteration adapteacute de [203]

Les cendres sont produites agrave lrsquoissue de la combustion du charbon Les cendres de foyer sont

deacuteposeacutees dans le cendrier et les cendres volantes sont reacutecupeacutereacutees par filtration des fumeacutees qui

sont expulseacutees par la chemineacutee En geacuteneacuteral le type de cendres volantes reacutesultant de la

combustion du charbon dans les centrales est fonction de la nature du combustible utiliseacute Les

cendres volantes de type sulfocalciques proviennent de la combustion de la lignite et sont

principalement composeacutees de CaO et de Al2O3 Les cendres volantes de type silico-alumineuses

proviennent de la combustion de la houille Elles contiennent principalement les composeacutes SiO2

Al2O3 et CaO Ce dernier type est le plus reacutepandu La composition chimique de ce dernier peut

varier en fonction du charbon utiliseacute comme combustible mais en geacuteneacuteral les cendres de foyer

sont caracteacuteriseacutees par une fraction eacuteleveacutee (ge 80) doxyde de silicium (SiO2) doxyde

daluminium (Al2O3) et de loxyde de fer (Fe2O3) Toutefois un des gros problegravemes de la gestion

des deacutechets des centrales agrave charbon est celui des rejets de la mine Une des solutions consiste agrave

les utiliser pour remblayer les mines Cependant cette solution engendre un coucirct de transport

additionnel et des contraintes environnementales lieacutees agrave la production du NOx du SO2 Ces

effluents sont tregraves polluants et neacutecessitent un certain nombre de traitements comme la reacuteduction

ou le filtrage Le Tableau II-4 preacutesente le taux de deacutechet formeacute lors de la production drsquoeacutelectriciteacute

dans une centrale agrave charbon

Tableau II-4 Deacutechets du charbon lors de la combustion pour la production drsquoeacutelectriciteacute [204]

Charbon

Convoyeur

Pulveacuterisateur

Collecte des

cendres

Condenseur

Electriciteacute

Cendres

volantes

Cendres

Cendres

Cendres

Turbine agrave

vapeur

Deacutebits des deacutechets (gmiddotkWh-1

)

NOx 025

SO2 032

Cendres volantes dans lair 007

Cendres volantes recueillies 302

Cendres de foyer 210

Chapitre II 57

On remarque dans le Tableau II-4 que les cendres de foyer (environ 21 gmiddotkWh-1

) repreacutesentent

une part importante des deacutechets solides produits par la centrale En effet une centrale agrave charbon

de 100 MW produirait ainsi 5 tonnes de cendres de foyer par jour

Selon lAssociation mondiale du charbon [205] le charbon fournit 29 des besoins

mondiaux en eacutenergie primaire et est utiliseacute pour produire 41 de leacutelectriciteacute du monde La part

du charbon pour la production drsquoeacutelectriciteacute en Afrique en particulier en Afrique de lrsquoOuest nrsquoest

pas neacutegligeable En effet dans cette reacutegion les reacuteserves de charbon sont estimeacutees agrave 580 millions

de tonnes [3] Le Nigeria possegravede plus de 95 des reacuteserves de la sous-reacutegion mais il en existe

aussi de moindre importance au Seacuteneacutegal au Benin et au Niger Ce potentiel important montre

combien le stockage des deacutechets devient jour apregraves jour une veacuteritable probleacutematique

environnementale et eacuteconomique Les eacuteleacutements en trace dans les cendres de foyers tels que le

zinc le cadmium le cuivre et le plomb sont une preacuteoccupation importante pour des terres en

raison de leur impact environnemental En effet la principale menace que peuvent repreacutesenter

les cendres de foyer pour la santeacute humaine provient des meacutetaux lourds dont le Plomb Cadmium

ou le mercure Ces meacutetaux ont eacuteteacute largement eacutetudieacutes et leurs effets sur la santeacute humaine

reacuteguliegraverement examineacutes par des institutions internationales telles que lOMS [206] Ainsi les

cendres de foyer occupent non seulement de grands espaces mais constituent aussi un facteur de

pollution des nappes phreacuteatiques de lrsquoair et des cours drsquoeau si elles sont mal stockeacutees Par

ailleurs plusieurs pays en Afrique de lrsquoOuest comme le Nigeria la Cocircte drsquoIvoire et le Seacuteneacutegal

pour ne citer que ceux-lagrave ont deacutejagrave lanceacute des grands projets drsquoinstallation de centrale thermique agrave

charbon Agrave titre drsquoexemple les centrales de 350 MW et 250 MW sont preacutevues au Seacuteneacutegal

respectivement dans la ville de Kayar et Mboro La banque africaine de deacuteveloppement

accompagne actuellement le Nigeacuteria pour lrsquoexploitation de la mine de charbon drsquoOkobo pour

fournir du charbon agrave la centrale agrave charbon de Zuma agrave Itobe destineacutee agrave produire 1200 MW

1412 Les deacutechets SONICHAR au Niger

La Socieacuteteacute nigeacuterienne drsquoeacutelectriciteacute (NIGELEC) srsquooccupe de lrsquoimportation du transport de

la distribution et de la commercialisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique au Niger La majoriteacute de

lrsquoeacutenergie eacutelectrique produite est drsquoorigine fossile et dont certaines centrales utilisent le charbon

fourni par la socieacuteteacute nigeacuterienne de production de charbon (SONICHAR) Le charbon est extrait

de la mine agrave ciel ouvert et pratiquement consommeacute sur place dans une centrale thermique La

centrale est eacutequipeacutee de deux geacuteneacuterateurs de 188 MW et produit en moyenne 150000 tonnes de

cendre de foyer par an Le charbon utiliseacute provient du site drsquoexploitation de Tefereyre pregraves de la

ville de Tchirozeacuterine agrave 75 km au nord-ouest drsquoAgadez La combustion du charbon est obtenue

avec un four de type Ignifluid composeacute drsquoun four agrave lit fluidiseacute comportant une grille mobile qui

deacutecharge directement les reacutesidus de la combustion dans une zone de stockage temporaire (Figure

II-8)

Chapitre II 58

Figure II-8 Localisation de la zone de deacutecharge des macircchefers de la Socieacuteteacute SONICHAR au

Niger

Des caracteacuterisations effectueacutees par Vinai et al [207] sur les cendres de foyer ont montreacute qursquoelles

sont composeacutees principalement de SiO2 (6232 en poids) Al2O3 (2721 en poids) de FeO

(357 en poids) CaO (05 en poids) La composition mineacuteralogique a eacuteteacute reacutealiseacutee par la

diffraction des rayons X Elle a montreacute que la partie amorphe constitue environ 61 de

leacutechantillon tandis que la mullite (216 en poids) et la silice (11 poids) sont les principales

structures cristallines observeacutees Jusquagrave preacutesent ces mateacuteriaux ne sont pas suffisamment

valoriseacutes Elles sont actuellement envisageacutees en remplacement du sable dans la formulation du

mortier pour la confection de briques [207] Toutefois ces deacutechets preacutesentent un fort potentiel

car ils sont particuliegraverement adapteacutes agrave la production de ceacuteramique de type mullite

Les travaux anteacuterieurs reacutealiseacutes au PROMES [13144208] sur les cendres volantes drsquoEDF

ont montreacute ont permis drsquoeacutelaborer des ceacuteramiques reacutefractaires comme la mullite Malgreacute une

diffeacuterence en ce qui concerne la taille des particules les cendres de foyer preacutesentent agrave quelques

diffeacuterences pregraves la mecircme composition mineacuteralogique que les cendres volantes offrant un

potentiel similaire pour la production de mullite La valorisation des deacutechets pourrait contribuer

agrave reacuteduire les impacts environnementaux de CSP lieacutes agrave la technologie actuelle de stockage

thermique et preacuteserver les ressources naturelles par le recyclage dune partie importante des

deacutechets reacutesultants

142 Les reacutesidus de la production drsquoaceacutetylegravene agrave charbon La Chaux de BIG

1421 La chaux

La chaux est un mateacuteriau inorganique provenant geacuteneacuteralement de la roche calcaire Elle

contient du calcium sous forme drsquooxyde ou hydroxyde comme matiegravere preacutedominante Le calcaire

est une roche abondante sur la planegravete et repreacutesente environ 20 des roches seacutedimentaires

disponibles Lextraction de cette roche repreacutesente la deuxiegraveme industrie miniegravere mondiale A

leacutechelle mondiale la consommation est estimeacutee agrave 300 millions de tonnes par an Par ailleurs la

quantiteacute annuelle de chaux disponible sur le marcheacute est drsquoenviron 120 millions de tonnes [209]

En pratique les deux produits issus du carbonate de calcium sont loxyde de calcium et

lhydroxyde de calcium respectivement appeleacutes chaux vive et chaux eacuteteinte Loxyde et

Tchirozeacuterine

Chapitre II 59

lhydroxyde de calcium sont disponibles en grande quantiteacute agrave travers le monde Le coucirct de la

chaux industriel varie de 15 agrave 150 euros la tonne deacutependamment de sa pureteacute sa granulomeacutetrie et

son origine

La chaux est un mateacuteriau largement utiliseacute dans la construction (routes et habitats)

lrsquoindustrie de lrsquoacier et de la ceacuteramique La chaux est aussi utiliseacutee pour des applications de

stockage de chaleur dans les centrales solaires agrave concentration le couple (Ca(OH)2CaO) permet

de stocker lrsquoeacutenergie agrave des tempeacuteratures infeacuterieures agrave 600 degC Elle peut eacutegalement ecirctre utiliseacutee

pour lrsquoeacutelaboration des ceacuteramiques reacutefractaires qui sont tregraves priseacutees pour les applications de

stockage de la chaleur haute tempeacuterature

1422 Le deacutechet de BIG au Burkina Faso

La socieacuteteacute Burkina Industrial Gas (BIG) est une entreprise industrielle speacutecialiste des gaz

industriels Au Burkina Faso elle produit de laceacutetylegravene sur la base de la reacuteaction deacutecrite par


CaC2 + 2H2O rarr C2H2 + Ca(OH)2

(II-5)

Habituellement agrave cause de la preacutesence dair dans le proceacutedeacute la chaux eacuteteinte (Ca(OH)2)

commence agrave reacuteagir avec du dioxyde de carbone pour former du carbonate de calcium (CaCO3)

selon la reacuteaction de lrsquoEquation (II-6)

Ca(OH)2 + CO2 rarr CaCO3 + H2O

(II-6)

Les deux coproduits Ca(OH)2 et CaCO3 sont consideacutereacutes comme des deacutechets industriels pour

lesquelles on envisage une valorisation En 2012 la socieacuteteacute BIG a produit pregraves de 3 tonnes de ces

deacutechets Une partie des deacutechets est utiliseacutee dans la sous-reacutegion pour la production de briques

compresseacutees de lateacuterite pour la construction [210] Cependant seulement 20 des deacutechets sont

actuellement valoriseacutes Toutefois lrsquoutilisation de proceacutedeacutes de traitement thermique approprieacute

devrait permettre de faire reacuteagir favorablement le Ca(OH)2 et le CaCO3 afin de produire de

lrsquooxyde de calcium Entre 300 et 500 degC lrsquohydroxyde de calcium se transforme en oxyde de

calcium et entre 600 et 900 degC le carbonate de calcium se transforme eacutegalement en oxyde de

calcium Les eacutequations correspondantes sont donneacutees ci-dessous

CaCO3 + rarr CaO + CO2

(II-7)

Ca(OH)2 + rarr CaO + H2O

(II-8)

Loxyde de calcium (CaO) est un composeacute tregraves alcalin qui peut reacuteagir avec le quartz (SiO2)

et lalumine (Al2O3) Ce mateacuteriau est tregraves souvent utiliseacute pour reacuteduire la tempeacuterature de fusion et

la viscositeacute des meacutelanges de matiegraveres mineacuterales primaires [211] Dans la preacutesente eacutetude le terme

chaux fait reacutefeacuterence au meacutelange de la chaux eacuteteinte et vive tous deux eacutetant preacutesents dans le

deacutechet

2 Mateacuteriel et techniques de caracteacuterisation

Chapitre II 60

Dans le but de comprendre et de connaitre nos mateacuteriaux un ensemble de techniques

drsquoanalyse et de caracteacuterisation baseacutees sur la deacutetermination des proprieacuteteacutes thermophysiques

chimiques morphologiques et structurales ont eacuteteacute utiliseacutees Elles sont preacutesenteacutees ici

21 Mateacuteriel et techniques de caracteacuterisation de lrsquohuile veacutegeacutetale

211 Paramegravetres physiques

2111 Viscositeacute

La viscositeacute dynamique des eacutechantillons a eacuteteacute mesureacutee agrave 40 degC en utilisant le viscosimegravetre

OmniTek S-Flow 3000 selon la meacutethode ASTM D7279 La viscositeacute dynamique agrave 210 degC a eacuteteacute

reacutealiseacutee avec un rheacuteomegravetre ARES-G2 de TA Instrument agrave pression atmospheacuterique sous un flux

dazote

2112 Point eacuteclair

Le point eacuteclair a eacuteteacute mesureacute par lrsquoanalyseur Setaflash 3Plus 33000-0 de type Stanhope-

SETA selon la meacutethode standard ASTM D93A Leacutechantillon liquide sous agitation est chauffeacute agrave

tempeacuterature constante et le point eacuteclair a eacuteteacute deacutetermineacute en utilisant un allumeur agrave intervalles de

5 degC

2113 Densiteacute

La densiteacute est un paramegravetre important de lhuile qui est tregraves souvent influenceacutee par

lrsquooxydation et la polymeacuterisation La densiteacute des eacutechantillons a eacuteteacute deacutetermineacutee selon la meacutethode

de test standard ASTM D4052

212 Paramegravetres chimiques

2121 Indice drsquoaciditeacute

Lrsquoaciditeacute est deacutefinie comme eacutetant la quantiteacute dhydroxyde de potassium en mg neacutecessaire

pour neutraliser les acides gras libres dans un eacutechantillon dhuile de 1 g Lrsquoaciditeacute totale a eacuteteacute

deacutetermineacutee par titrage potentiomeacutetrique selon la norme ASTM D974

2122 Teneur en eau

La teneur en eau dans lhuile veacutegeacutetale provient de leau libre dans les matiegraveres premiegraveres

du vieillissement des reacuteactions au cours du stockage ou dun proceacutedeacute de chauffage [53] Par

conseacutequent lhuile veacutegeacutetale contient ineacutevitablement des niveaux eacuteleveacutes deau La meacutethode

titrimeacutetrique Karl Fischer ISO 8534 a eacuteteacute utiliseacutee pour mesurer la teneur en eau dans lhuile

2123 Indice drsquoiode

Lindice diode est une mesure du degreacute total dinstauration de lrsquohuile veacutegeacutetale Lrsquoindice

diode a eacuteteacute deacutetermineacute par la meacutethode ISO 3961 appeleacutee meacutethode danalyse de Wijs La meacutethode

considegravere que les natures la position dans la chaicircne et la quantiteacute datomes de carbone

oleacutefiniques dans les composeacutes gras sont eacutegaux et donc tout aussi reacuteactifs

2124 Indice de peroxyde

Chapitre II 61

Lindice de peroxyde est une mesure des peroxydes formeacutes au cours du processus

doxydation Lindice de peroxyde deacutechantillon a eacuteteacute deacutetermineacute par la meacutethode de titrage

potentiomeacutetrique selon la meacutethode NFT 60-220

2125 Composition chimique

La composition chimique de leacutechantillon a eacuteteacute analyseacutee par le laboratoire drsquoanalyse des

huiles de TOTAL Burkina Faso en utilisant le spectromegravetre LNF-Q100 Spectro selon la meacutethode

ASTM D6595

22 Mateacuteriel et techniques de caracteacuterisation des mateacuteriaux solides

221 Analyse par microscopie eacutelectronique agrave balayage

2211 Meacutethode

La microscopie eacutelectronique agrave balayage (MEB) est une technique de microscopie capable

de produire une image agrave haute reacutesolution drsquoun eacutechantillon en utilisant le principe des interactions

eacutelectrons-matiegravere Un faisceau incident drsquo laquo eacutelectrons primaires raquo focalise sur lrsquoeacutechantillon avec

une eacutenergie de quelques centaines drsquoeacutelectrons-volts (eV) agrave plusieurs dizaines de kilos eacutelectrons-

volts (keV) Lorsque lrsquoeacutelectron primaire peacutenegravetre lrsquoeacutechantillon il subit une interaction avec les

atomes environnants En reacuteponse agrave cette sollicitation lrsquoeacutechantillon va reacuteeacutemettre certaines

particules qui lorsquelles sont analyseacutees par diffeacuterents deacutetecteurs donnent plusieurs

informations sur lrsquoeacutechantillon

Electrons reacutetrodiffuseacutes (BSE) permets de faire une cartographie de la distribution

spatiale des eacuteleacutements chimiques preacutesents dans lrsquoeacutechantillon

Electrons secondaires (SE) permet de construire lrsquoimage en contraste topographique ou

la morphologie

Rayons X caracteacuteristiques (EDS) permets drsquoobtenir des informations quantitatives sur

des eacuteleacutements chimiques preacutesents dans lrsquoeacutechantillon avec une preacutecision de lrsquoordre de 1

Les informations provenant de ces trois deacutetecteurs permettent une fois combineacutees de mieux

appreacutehender lrsquoeacutevolution morphologique et chimique du mateacuteriau apregraves le traitement

2212 Mateacuteriel et eacutechantillonnage

Lrsquoappareil utiliseacute pour eacutetudier la morphologie et la composition chimique des diffeacuterents

eacutechantillons est le microscope eacutelectronique agrave balayage SEM FEG HITACHI S-4500 du

laboratoire PROMES associeacute au dispositif drsquoanalyse par spectromeacutetrie des rayons X Afin

drsquoameacuteliorer la qualiteacute des reacutesultats les eacutechantillons pauvres en fer (argiles cendres de foyer

chaux eacuteteinte) sont preacutealablement broyeacutes dans un creuset en ceacuteramique en agate puis meacutetalliseacutes

par pulveacuterisation cathodique (meacutelange 60 au et 40 Pd) Ceci permet de rendre la surface plus

conductrice et ainsi augmenter la qualiteacute de lrsquoimage Pour ce qui est des eacutechantillons de lateacuterite

compte tenu de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du mateacuteriau une grande quantiteacute (300 g) a eacuteteacute broyeacutee et

homogeacuteneacuteiseacutee afin drsquoassurer la repreacutesentativiteacute des diffeacuterents eacuteleacutements en preacutesence Les analyses

ont eacuteteacute effectueacutees sur 30 g de matiegravere en poudre de granulomeacutetrie infeacuterieure agrave 100 microm

222 Analyse structurale par Diffraction des rayons X (DRX)

Chapitre II 62

2221 Meacutethode

Les corps cristallins peuvent ecirctre consideacutereacutes comme des assemblages de plans atomiques

plus ou moins denses Ces plans atomiques sont appeleacutes laquo plans reacuteticulaires raquo et les distances

caracteacuteristiques qui les seacuteparent laquo distances inter reacuteticulaire raquo Geacuteneacuteralement ces distances sont

noteacutees (d) Leur existence est agrave la base de la technique de diffraction des rayons X qui permet

drsquoidentifier les phases cristallines des mateacuteriaux et de les caracteacuteriser

La longueur donde des rayons X eacutetant de lordre de grandeur des distances interatomiques

les interfeacuterences des rayons diffuseacutes vont ecirctre alternativement constructives ou destructives

Selon la direction de lespace on va donc avoir un flux important de photons X ou au contraire

tregraves faible Les directions dans lesquelles les interfeacuterences sont constructives sont appeleacutees laquo pics

de diffraction raquo Elles peuvent ecirctre deacutetermineacutees par la loi de WL Bragg deacutefinie agrave travers


nd hkl )sin(2 (II-9)

λ la longueur drsquoonde du faisceau de rayon X

d la distance inter reacuteticulaire dans le plan hkl

ϴ lrsquoangle de diffraction

Gracircce agrave un deacutetecteur de rayons X on peut collecter les rayons X diffracteacutes lors du balayage

angulaire de la surface irradieacutee de lrsquoeacutechantillon Lrsquoenregistrement du signal fournit le diagramme

de diffraction de lrsquoeacutechantillon eacutetudieacute En mesurant les angles correspondants aux pics de

diffraction on peut deacuteterminer gracircce agrave la Loi de Bragg les distances interreacuteticulaires des

familles de plans cristallins composant les phases preacutesentes dans lrsquoeacutechantillon De cette faccedilon on

peut remonter agrave la structure cristallographique des mateacuteriaux


Lrsquoidentification des structures cristallines des mateacuteriaux bruts et traiteacutes a eacuteteacute effectueacutee agrave

lrsquoaide drsquoun diffractomegravetre PANalytical Pro X Pert sur une plage angulaire de 10deg agrave 100deg Le pas

de la mesure est de 001deg avec un pas de temps de 5 secondes Le spectre de diffraction des

rayons X est analyseacute en utilisant le logiciel PANalytical Les phases cristallines ont eacuteteacute

identifieacutees par comparaison des spectres avec les modegraveles de reacutefeacuterence standard (fichier de

diffraction de poudre PDF-2 et Centre International de Donneacutees de diffraction (ICDD))

Les poudres agrave analyser sont initialement preacutepareacutees par broyage dans un mortier en agate

afin drsquoobtenir de fines particules Une fois le diffractogramme obtenu un traitement de ce

dernier est neacutecessaire Celui-ci consiste agrave soustraire le bruit de fond et des pics dus agrave la

contribution de la raie Kα2 agrave la normalisation des pics principaux des deux diagrammes puis agrave

lrsquoidentification des phases Il est agrave noter que dans le cas speacutecifique des eacutechantillons de lateacuterite

nous avons constateacute un effet de fluorescence Ce pheacutenomegravene est probablement ducirc agrave la preacutesence

de fer en grande quantiteacute dans nos eacutechantillons Les analyses ont donc eacuteteacute reprises en augmentant

le temps de passage de 5 agrave 30 min Ce qui a eu pour effet drsquoameacutelioration le signal et donc la

qualiteacute des donneacutees Les eacutechantillons ont eacuteteacute preacutepareacutes de la mecircme faccedilon que pour les analyses au

MEB

Chapitre II 63

223 Analyse thermogravimeacutetrique et diffeacuterentielle colorimeacutetrique agrave balayage

2231 Meacutethode

Lanalyse thermogravimeacutetrique (ATG) est une technique danalyse thermique qui consiste

en la mesure de la variation de masse dun eacutechantillon en fonction du temps pour une

tempeacuterature ou un profil de tempeacuterature donneacute La courbe obtenue met en eacutevidence les pertes

drsquoeau (reacuteactions endothermiques) mais aussi les recristallisations les recombinaisons

(reacuteactions geacuteneacuteralement exothermiques) et les pheacutenomegravenes drsquooxydation de matiegravere organique

Lorsque lrsquoeacutechantillon est soumis agrave la monteacutee en tempeacuterature des reacuteactions chimiques peuvent

libeacuterer des espegraveces gazeuses ou former des oxydes entrainant une variation de masse de

lrsquoeacutechantillon Cependant un grand nombre de reacuteactions (fusion cristallisation transition

vitreusehellip) ne srsquoaccompagne pas drsquoune variation de masse Certaines de ces transitions peuvent

ecirctre deacutetecteacutees par lrsquoanalyse calorimeacutetrique diffeacuterentielle (DSC)

La DSC est une technique deacuteterminant la variation de flux thermique eacutemis ou reccedilu par un

eacutechantillon lorsqursquoil est soumis agrave une programmation de tempeacuterature sous atmosphegravere controcircleacutee

(air azote ou argon) Elle permet drsquoidentifier les transitions de phase et les tempeacuteratures

associeacutees telles que la tempeacuterature de transition vitreuse (Tg) les tempeacuteratures de fusion (Tf) et

de cristallisation (Tc) les enthalpies de reacuteaction Lrsquoanalyse est baseacutee sur le fait que lors drsquoune

chauffe ou drsquoun refroidissement une transition de phase est caracteacuteriseacutee par une quantiteacute de

chaleur eacutechangeacutee avec leacutechantillon La courbe obtenue met en eacutevidence les pertes drsquoeau

(reacuteactions endothermiques) mais aussi les recristallisations les recombinaisons (reacuteactions

exothermiques) et les pheacutenomegravenes drsquooxydation de la matiegravere organique


Les analyses ont eacuteteacute reacutealiseacutees agrave lrsquoaide drsquoun appareil de la socieacuteteacute Setaram modegravele

LabsysTM

Les paramegravetres suivants ont eacuteteacute utiliseacutes pour les diffeacuterents mateacuteriaux solides la

vitesse de chauffage et de refroidissement programmeacutee a eacuteteacute de 10degCmiddotmin-1

la masse des

eacutechantillons introduite est de lrsquoordre de 12 mg la tempeacuterature maximale de 1500degdegC les

expeacuterimentations ont eacuteteacute reacutealiseacutees sous air avec une vitesse drsquoinjection de 20 mlmiddotmin-1

224 Proprieacuteteacutes thermophysiques

2241 Meacutethodes

La conductiviteacute thermique et la capaciteacute calorifique des blocs de lateacuterite ont eacuteteacute mesureacutees agrave

la tempeacuterature ambiante par une meacutethode transitoire La meacutethode consiste agrave placer une reacutesistance

eacutelectrique de forme rectangulaire sur la surface de lrsquoeacutechantillon Une source stabiliseacutee de tension

(TTi Cpx200) est employeacutee pour imposer rapidement un flux thermique constant La tempeacuterature

est mesureacutee par un thermocouple de type T agrave fils minces (diamegravetre de 02 mm) placeacutes entre la

reacutesistance et leacutechantillon La Figure II-9 montre un exemple dune courbe expeacuterimentale (agrave

droite) Cette meacutethode permet drsquoestimer simultaneacutement lrsquoeffusiviteacute et la conductiviteacute thermique

Dans le cas dun transfert de chaleur unidirectionnel lrsquoeffusiviteacute peut ecirctre estimeacutee entre le temps

t1 et t2 par la minimisation des erreurs quadratiques entre la courbe expeacuterimentale et la courbe

calculeacutee agrave lrsquoaide du modegravele du ruban chaud

Chapitre II 64

Figure II-9 Scheacutema du dispositif de mesure (gauche) Courbe expeacuterimentale (droite)

Selon Jannot et al [212] la variation de la tempeacuterature en fonction du temps se deacutecrit pour une

configuration asymeacutetrique drsquoapregraves lrsquoEquation (II-10)

119879(119905) =4 middot ɸ

119864 middot 119878 middot radic120587radic119905 + 1205731

(II-10)

Avec ɸ le flux de chaleur S la surface de la reacutesistance et β1 une constante qui deacutepend du flux de

chaleur de lrsquoinertie du thermocouple et de la reacutesistance La pente moyenne de la courbe

expeacuterimentale T(t) = f (radic119905) peut ecirctre consideacutereacutee comme ligne droite dans cet intervalle

Lrsquointervalle de temps compris entre 06 et 3 secondes permet deacutevaluer lrsquoeffusiviteacute thermique

Apregraves un temps drsquoattente suffisamment long le ruban chaud peut ecirctre assimileacute agrave un fil chaud La

variation de la tempeacuterature peut srsquoexprimer selon Ladevie [213] comme suit

119879(t) =ɸ

2π middot λ middot 119871ℎ119904ln(t) + β2

(II-11)

En raison de la position du thermocouple il nrsquoest pas utile de tenir compte des pertes thermiques

La taille de leacutechantillon permet drsquoassurer lhypothegravese de milieu semi-infini dans toutes les

directions pendant lexpeacuterience Agrave partir de cette eacutequation la conductiviteacute thermique peut ecirctre

estimeacutee entre t3 et t4

La masse volumique des eacutechantillons est mesureacutee agrave tempeacuterature ambiante en utilisant la

meacutethode dArchimegravede agrave lrsquoaide du pycnomegravetre MicroMeritics AccuPyc 1330 du laboratoire

PROMES Lappareil a un niveau de preacutecision de 003 Toutes les mesures ont eacuteteacute reacutepeacuteteacutees au

moins trois fois afin de garantir la reproductibiliteacute des reacutesultats obtenus

2242 Mateacuteriel expeacuterimental

La partie expeacuterimentale a eacuteteacute effectueacutee en utilisant une reacutesistance eacutelectrique Watlow avec

une reacutesistance de 40 Ώ une surface de chauffage de 4times1 cmsup2 et de 002 cm drsquoeacutepaisseur La

Figure II-10 preacutesente le dispositif expeacuterimental (Figure II-10-a) et le bloc de lateacuterite (Figure

II-10-b) sur lequel la reacutesistance chauffante est deacuteposeacutee

(a) (b)

Chapitre II 65

Figure II-10 (a) Banc expeacuterimental (b) Eacutechantillon de lateacuterite de la quatriegraveme couche en test

La tempeacuterature est enregistreacutee pendant 80 s avec un pas de temps de 01 s agrave lrsquoaide drsquoun

acquisiteur de donneacutees de type Argilent

3 Caracteacuterisation des mateacuteriaux seacutelectionneacutes

Le deacuteveloppement qui suit consiste agrave caracteacuteriser les mateacuteriaux seacutelectionneacutes pour eacutelaborer

des TESM adapteacutes aux CSP en Afrique de lrsquoOuest Lrsquoobjectif est drsquoidentifier les phases

cristallines des diffeacuterents candidats drsquoeacutetudier leurs comportements thermiques et les possibiliteacutes

de traitements associeacutes agrave chacun drsquoeux

31 LrsquoHVJC du Burkina Faso

LrsquoHVJC fournie par la Socieacuteteacute Belwet au Burkina Faso a eacuteteacute utiliseacutee dans la preacutesente

eacutetude Les graines de Jatropha curcas recueillies sont presseacutees agrave froid et entreposeacutees En

moyenne de 1000 g de graines de Jatropha curcas on reacutecupegravere environ 278 g soit 278

dhuile Les caracteacuteristiques initiales des huiles ont eacuteteacute deacutetermineacutees au deacutebut de notre eacutetude et

sont preacutesenteacutees dans la partie qui va suivre

311 Caracteacuteristiques physiques et chimiques de lrsquoHVJC

Les proprieacuteteacutes physiques et chimiques moyennes de lrsquoHVJC eacutetudieacutees dans cette thegravese sont

preacutesenteacutees dans le tableau Tableau II-5 Ces donneacutees proviennent de la premiegravere campagne de

mesures effectueacutee au deacutebut de cette thegravese

Tableau II-5 Proprieacuteteacutes physiques et chimiques de lrsquoHVJC

Proprieacuteteacutes Uniteacutes Valeurs

Physiques Densiteacute 30 degC kgmiddotm-3

9054

Viscositeacute cineacutematique agrave 40 degC mmsup2middots-1

426


78

Point flash degC 235

Chimiques Aciditeacute mgmiddotKOHmiddotg-1

15

Teneur en eau ppm 500

(a) (b)

Chapitre II 66

Indice drsquoiode g I2 104

Indice de peroxyde mEq O2middotkg-1

11

Les proprieacuteteacutes physiques et chimiques mesureacutees sont en concordance avec les donneacutees de la

litteacuterature discuteacutees dans le Chapitre 2 Il convient toutefois de relever que les valeurs

relativement fortes de lrsquoindice drsquoacide des diffeacuterentes huiles brutes peuvent ecirctre attribueacutees agrave leur

longue dureacutee de conservation ce qui suppose qursquoil y ait pu avoir un deacutebut de deacutegradation lors de

ce stockage Les valeurs dindices de peroxyde observeacutees peuvent eacutegalement ecirctre attribueacutees au

mecircme pheacutenomegravene Par ailleurs il convient de signaler que lrsquohuile nrsquoa pas subi de purification ou

de saponification Par conseacutequent la valeur eacuteleveacutee de son indice drsquoacide peut ecirctre le reacutesultat des

reacutesidus drsquoextraction preacutesents dans le milieu [158159]

312 Composition chimique de lrsquoHVJC

La composition chimique de lrsquoHVJC a eacuteteacute analyseacutee par spectromeacutetrie Le Tableau II-6

preacutesente les eacuteleacutements principaux On remarque que mis agrave part le fer les autres meacutetaux (Ag Al

Cr Cu Mo Ni Ti Pb Zn) ne sont pas preacutesents dans la composition de lrsquohuile brute Aucun

composeacute dangereux nrsquoa eacuteteacute deacutetecteacute dans lrsquohuile laissant preacutesager une utilisation sans danger

particulier Toutefois lune des principales limites des huiles utiliseacutees comme HTF ou TESM est

la difficulteacute de preacutedire sa durabiliteacute

Tableau II-6 Composition chimique de lrsquoHVJC

Eacuteleacutements Ca Cd Cu Fe K Mg Na P Sn

1468 042 005 307 2203 1607 276 8636 351

Cette durabiliteacute est geacuteneacuteralement lieacutee agrave la stabiliteacute thermique de lhuile qui est elle-mecircme lieacutee agrave la

tempeacuterature maximale agrave laquelle aucune deacutegradation significative des proprieacuteteacutes de lhuile nrsquoest

observeacutee Agrave ce jour aucune eacutetude speacutecifique sur la stabiliteacute de lrsquoHVJC pour lapplication de la

CSP nrsquoa eacuteteacute rapporteacutee Ainsi il apparaicirct neacutecessaire didentifier et de deacutefinir les principaux

paramegravetres agrave suivre dans le but deacutevaluer la capaciteacute de lrsquoHVJC agrave ecirctre utiliseacutee dans les proceacutedeacutes

thermiques agrave haute tempeacuterature Cette eacutetude fera lrsquoobjet du Chapitre 3

32 Les roches et mateacuteriaux recycleacutes


Le profil lateacuteritique de Dano repose sur un sous-sol de composeacute de roches granitique Le

profil se deacutecompose en quatre horizons de bas en haut la couche principalement composeacutee de

kaolinite la couche riche en argile et en quartz la couche de lateacuterite chineacutee tregraves poreuse et la

couche composeacutee de cuirasses tregraves riches en fer [175] La Figure II-11 preacutesente les blocs de

lateacuterites tailleacutes des diffeacuterentes strates provenant de la carriegravere de Dano qui ont eacuteteacute utiliseacutees dans

cette eacutetude Les eacutechantillons preacuteleveacutes dans les carriegraveres ont eacuteteacute tailleacutes afin drsquoobtenir des formes et

dimensions bonnes pour les analyses

Chapitre II 67

Figure II-11 Eacutechantillons bruts des diffeacuterentes strates de lateacuterite de la carriegravere de Dano

Comme on peut le voir sur la Figure II-11 les lateacuterites LADA1 et LADA2 sont rouge fonceacute

Cette couleur est due agrave la forte teneur en oxyde de fer Nous avons remarqueacute que malgreacute leurs

porositeacutes respectives (15 en moyenne) ces blocs sont tregraves solides Les lateacuterites des deux

derniegraveres couches (LADA3 et LADA4) ont une couleur rouge clair ce qui peut srsquoexpliquer par

le fait qursquoelles sont majoritairement constitueacutees drsquoargiles Elles sont plus denses et moins solides

et moins poreuses que les eacutechantillons LADA1 et LADA2

3211 Analyse morphologique et semi-quantitative

La Figure II-12 montre les micrographies MEB de nos eacutechantillons de lateacuterite observeacutes agrave 40 microm

Les images au contraste chimique (BSE) mettent en eacutevidence une distribution aleacuteatoire des

eacuteleacutements dans tous les eacutechantillons Les particules en blanc repreacutesentent le fer et celles en gris

sont majoritairement constitueacutees drsquoaluminium et de silice

Figure II-12 Images MEB des eacutechantillons bruts de lateacuterite de Dano

Du point de vue morphologique aucune forme particuliegravere nrsquoest identifieacutee sur les diffeacuterents

eacutechantillons Le Tableau II-7 preacutesente la composition chimique des eacutechantillons en pourcentages

massiques

Chapitre II 68

Tableau II-7 Analyse chimique (EDS) des eacutechantillons bruts de lateacuterite des diffeacuterentes couches

Composants (

poids)

SiO2 Fe2O3 Al2O3 MgO TiO2 CaO K2O

LADA1 2253 5217 2244 172 113 - -

LADA3 3034 4154 2554 131 122 - -

LADA2 3216 3444 2904 243 194 - -

LADA4 3606 3541 2546 157 15 - -

Les eacutechantillons sont majoritairement composeacutes de fer de silice et drsquoaluminium avec des traces

de magneacutesium et de titane Le fer repreacutesente pregraves de 50 de la masse des eacutechantillons et est

preacutesent en plus grande quantiteacute sur la couche superficielle (LADA1) La forte teneur en fer

confirme la couleur rouge clair des eacutechantillons des derniegraveres couches (LADA1 et LADA2) La

quantiteacute de silice et drsquoaluminium augmentent avec la profondeur Le titane et le magneacutesium sont

eacutegalement preacutesents en faibles quantiteacutes La Spinelle est une phase du systegraveme alumine-zircone-

silice (AZS)

Ainsi alumine silice et oxydes de fer repreacutesentent en geacuteneacuteral plus de 80 de la

composition des lateacuterites Pouvant augmenter la masse volumique et la conductiviteacute thermique

la preacutesence de fer au sein de la lateacuterite semble agrave premiegravere vue inteacuteressante pour le stockage

thermique

3212 Analyse structurale

Lrsquoanalyse du diffractogramme permet drsquoidentifier les phases cristallines deacutetecteacutees au cours

de lrsquoanalyse des eacutechantillons Les diffractogrammes des eacutechantillons de lateacuterites sont donneacutes sur

le scheacutema de la Figure II-13

Figure II-13 DRX des eacutechantillons bruts de lateacuterite de Dano

Chapitre II 69

Les cristaux de quartz (SiO2) de kaolinite (Si2O5Al2(OH)4 goethite (FeOOH) et drsquoheacutematite

(Fe2O3) sont les principales phases identifieacutees (ge10) Le titane (TiO2) et la magneacutesie (MgO)

sont preacutesents dans lrsquoeacutechantillon de la quatriegraveme couche en faible proportion (le5) Les analyses

effectueacutees sont en conformiteacute avec les phases couramment observeacutees dans la litteacuterature [181ndash

184] Les diffeacuterentes transformations de phases identifieacutees preacuteceacutedemment sur les lateacuterites

peuvent ecirctre envisageacutees Cependant une eacutetude plus approfondie est neacutecessaire pour identifier les

diffeacuterentes tempeacuteratures des transformations que peuvent subir les phases preacutesentes dans

lrsquoeacutechantillon

3213 Comportement thermique

Le comportement thermique des lateacuterites a eacuteteacute eacutetudieacute en combinant la DSC et la TG Les

analyses ont eacuteteacute reacutealiseacutees avec des rampes de chauffe et de refroidissement de 10 degCmiddotmin-1

jusqursquoagrave 1500 degC Lrsquoair a eacuteteacute utiliseacute comme gaz afin de rester autant que possible proche des

conditions du four de traitement thermique des mateacuteriaux Sur la Figure II-14 les courbes TG

des diffeacuterentes couches sont preacutesenteacutees

Figure II-14 Analyse thermogravimeacutetrique des eacutechantillons bruts de lateacuterites de Dano

Pendant la phase de chauffage on observe une perte de masse moyenne de 9 sur les courbes

TG Les lateacuterites LADA2 et LADA1 preacutesentent les taux de perte les plus eacuteleveacutes soit 15 De

faccedilon geacuteneacuterale les pertes de masse les plus importantes (70 des pertes) sont observeacutees entre

500 et 600 degC Par contre lors du refroidissement aucune perte de masse nrsquoest observeacutee Ces

observations laissent preacutesager une eacuteventuelle stabiliteacute apregraves la fusion des eacutechantillons

Les courbes des analyses DSC sont preacutesenteacutees dans la Figure II-15 Coupleacutees aux analyses

TG elles permettent drsquoidentifier les diffeacuterentes transformations de phase et les reacuteactions

associeacutees

Chapitre II 70

Figure II-15 Analyse diffeacuterentielle calorimeacutetrique des eacutechantillons bruts de lateacuterites de Dano

Comme illustreacute sur la Figure II-15 on observe une crecircte endothermique vers 100 degC Cette

reacuteaction correspond au deacutepart de leau interstitielle (deacuteshydratation) et ne modifie pas la structure

cristalline de la kaolinite Si2O5Al2(OH)4 Cette reacuteaction est associeacutee agrave une perte de masse de

25 (Figure II-14) le mecircme comportement a eacuteteacute observeacute par Yan et al [183] Entre 300 degC et

320 degC on observe une crecircte endothermique correspondant agrave la transformation de la goethite

pour former lheacutematite selon leacutequation [182] Les crecirctes endothermiques de grandes amplitudes

(les plus significatives) sont observeacutees entre 500 et 550 ordmC et sont attribueacutees agrave la perte de leau

cristalline par des reacuteactions de deacutehydroxylation Pendant cette reacuteaction les hydroxyles

structuraux (-OH) de la kaolinite sont eacutelimineacutes pour former la meacutetakaolinite (Al2O32SiO2)

[182183188] Cette reacuteaction conduit agrave une perte de masse drsquoenviron 63 (Figure II-14)

Autour de 1200 degC on observe une reacuteaction exothermique pour les eacutechantillons (LADA1 et

LADA2) Cette reacuteaction est probablement due agrave la transformation directe de la meacutetakaolinite en

mullite sous lrsquoinfluence drsquoune teneur conseacutequente en quartz Cependant pour les eacutechantillons

(LADA3 et LADA4) deux pics successifs sont observeacutes Un premier pic vers 1150 degC et un pic

second vers 1300 degC Il est probable dans ce cas que la meacutetakaolinite passe par la phase spinelle

avant de se transformer en mullite En effet dans des environnements agrave forte teneur en quartz ce

dernier peut favoriser la formation de mullite par reacuteaction avec le spinelle La mullite est lune

des phases mineacuteralogiques stables des ceacuteramiques industrielles La fusion des diffeacuterents

eacutechantillons srsquoobserve agrave plus de 1400 degC On peut donc effectuer une vitrification de nos lateacuterites

agrave cette tempeacuterature comme crsquoest le cas pour la cendre volante lrsquoamiante et les laitiers

Dans le Tableau II-8 sont reacutesumeacutees les diffeacuterentes tempeacuteratures de transformation de nos

lateacuterites

Chapitre II 71

Tableau II-8 Reacuteaction et tempeacuteratures associeacutees aux transformations des lateacuterites de Dano

Mateacuteriau

Perte

de

lrsquoeau

libre

Dehydroxylation

de la goethite en

heacutematite

Transformation

de la kaolinite en

meacutetakaolinite

Cristallisation

de la

meacutetakaolinite en

spinelle

Formation

de la

mullite

Fusion

degC degC degC degC degC degC

LADA1 87 318 516 - 1200 1410

LADA2 78 301 517 - 1210 1420

LADA3 83 303 522 968 1315 1411

LADA4 85 320 525 982 1320 1432

Toutes les courbes TG et DSC des diffeacuterentes strates ont pratiquement le mecircme comportement

thermique Cependant en fonction de la composition mineacuteralogique et des mineacuteraux majeurs

certaines reacuteactions sont dominantes Ce qui explique probablement les variations de tempeacuterature

associeacutees agrave la mecircme reacuteaction Les diffeacuterentes transformations des phases observeacutees (80 300

500 950 1200 et 1400 degC) devraient permettre de deacutevelopper agrave partir des lateacuterites des

ceacuteramiques composites agrave structures stables Ces transformations seront exploiteacutees par la suite

dans le Chapitre 4 pour deacutevelopper des TESM

3214 Proprieacuteteacutes thermo physiques

La conductiviteacute thermique et la capaciteacute calorifique des blocs de lateacuterite des diffeacuterentes

couches ont eacuteteacute mesureacutees par la meacutethode transitoire du ruban chaud Les reacutesultats obtenus sont

preacutesenteacutes dans le Tableau II-9

Tableau II-9 Proprieacuteteacutes thermophysiques de la lateacuterite de Dano

Conductiviteacute

thermique

Masse

volumique

Capaciteacute

calorifique

Densiteacute eacutenergeacutetique

Wmiddotm-1

middotdegC-1

kgmiddotm-3

Jmiddotkg-3

middotdegC-1

MJmiddotm-3

middotdegC-1

LADA1 145 1894 803 152

LADA2 139 1806 840 151

LADA3 111 1905 821 156

LADA4 122 1906 851 163

Les mesures suggegraverent une conductiviteacute thermique comprise entre 09 et 144 Wmiddotm-1

middotK-1

et une

densiteacute eacutenergeacutetique comprise entre 1 9 et 2 MJmiddotm-3

middotK-1

Concernant la seacutelection des mateacuteriaux

solides pour le stockage agrave chaleur sensible les proprieacuteteacutes thermiques telles que la conductiviteacute

thermique et la densiteacute eacutenergeacutetique (ρtimesCP) devraient ecirctre respectivement drsquoau moins 1 Wmiddotm-1

middotK-1

et 15 MJmiddotm-3

middotK-1

[214215] Au regard des proprieacuteteacutes thermophysiques comme celles des

ceacuteramiques industrielles et du beacuteton la lateacuterite pourrait eacutegalement ecirctre consideacutereacutee comme un bon

candidat pour le stockage de la chaleur sensible

322 Les cendres de foyer de SONICHAR au Niger

Les cendres de foyer utiliseacutees dans cette eacutetude ont eacuteteacute fournies par la socieacuteteacute SONICHAR

Ce sous-produit a eacuteteacute recueilli directement dans les deacutecharges des centrales thermiques du Niger

Chapitre II 72

Comme repreacutesenteacute sur la Figure II-8 le mateacuteriau se preacutesente sous forme de poudres grises

fonceacutees

3221 Analyse morphologique et semi quantitative et structurale des cendres de foyer

Les cendres de foyer brutes reccedilues de SINICHAR ont eacuteteacute caracteacuteriseacutees chimiquement agrave

lrsquoaide de lrsquoEDS Le reacutesidu est principalement composeacute des eacuteleacutements suivants (en pourcentages

massiques) O (239) Si (165) Al (97) et des traces de Fe (333) K (139) Ca

(329) Ti (125) Mg (035) Au regard de cette composition le mateacuteriau peut ecirctre classeacute

dans le type des cendres de foyer silico-alumineuses [203] Les composeacutes tels que le Mg et le Fe

sont geacuteneacuteralement consideacutereacutes comme des agents pouvant faciliter la nucleacuteation et la formation de

phases cristallines [216]

Comme illustreacute sur la Figure II-16 sur laquelle est preacutesenteacute le diffractogramme de

lrsquoeacutechantillon brut de cendre de foyer le deacutechet est principalement composeacute de mullite et de

quartz

Figure II-16 Diffractogramme des eacutechantillons bruts de cendres de foyer de SONICHAR

On remarque cependant entre 20 et 30deg une forme arrondie repreacutesentative de lrsquoamorphe En effet

sous forme de petites particules spheacuteriques elles sont connues comme eacutetant principalement

amorphes La phase amorphe repreacutesente en geacuteneacuteral pour ce type de mateacuteriau plus de 60 de la

masse


La Figure II-17 preacutesente les courbes TGDSC des cendres de foyer de SONICHAR Les

cendres de foyer sont chauffeacutees jusqursquoagrave 1500 degC agrave 10 degCmiddotmin-1

pour ensuite ecirctre refroidies

jusqursquoagrave la tempeacuterature ambiante avec la mecircme vitesse Le comportement des cendres est

caracteacuteristique drsquoun mateacuteriau en majoriteacute vitreux

Chapitre II 73

Figure II-17 Courbes TGDSC des cendres de foyer de SONICHAR

En effet le pic exothermique observeacute vers 750 degC associeacute agrave une perte de masse importante (15)

est typique drsquoune transition vitreuse Un peu avant 1200 degC un pic exothermique sans variation

de masse deacutefinit la cristallisation du mateacuteriau En se basant sur la composition mineacuteralogique

initiale cette reacuteaction est certainement due agrave la formation de la mullite Juste apregraves commence la

fusion du mateacuteriau Le refroidissement du mateacuteriau srsquoen suit et se caracteacuterise par courbe presque

plate pour la perte de masse et une courbe sans pic pour le flux de chaleur Cela indique une

absence de transformation pendant le refroidissement Par ailleurs la perte de masse apregraves la

fusion repreacutesente plus de 13 de la masse initiale et doit ecirctre prise en compte lors de

lrsquoeacutelaboration Ces reacutesultats mettent en exergue la possibiliteacute drsquoeacutelaborer de la mullite apregraves

traitement thermique agrave plus de 1200 degC agrave partir des cendres de foyer de SONICHAR

323 La chaux de BIG au Niger

3231 Analyse morphologique et semi quantitative et structurale

Le Tableau II-10 preacutesente les reacutesultats de lrsquoanalyse EDS des eacutechantillons preacuteleveacutes dans les

deacutecharges de BIG Compte tenu du fait que lrsquoanalyse EDS ne prend pas en compte le carbone

les reacutesultats concernant le calcium sont donneacutes uniquement en oxyde

Tableau II-10 Analyse chimique (EDS) de lrsquoeacutechantillon de BIG

massique SiO2 Fe2O3 Al2O3 MgO TiO2 CaO K2O

Deacutechet de BIG 1175 - 422 - - 699 -

Lrsquooxyde de calcium repreacutesente plus de 70 de la masse de lrsquoeacutechantillon Cependant une

quantiteacute significative de silice et des traces drsquoaluminium sont observeacutees dans lrsquoeacutechantillon Cela

peut srsquoexpliquer par le fait que le minerai de carbure de calcium utiliseacute pour la synthegravese du gaz

provient geacuteneacuteralement de roches argileuses agrave forte teneur en aluminosilicate

-5

-3

-1

1

3

5

7

9

11

13

085

087

089

091

093

095

097

099

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Flu

x d

e ch

ale

ur

(microV

)

Perte

de

ma

sse (

)

Tempeacuterature ( C)

TG BADSC BA

Chapitre II 74

Comme repreacutesenteacutee sur le diffractogramme de la Figure II-18 lrsquoeacutechantillon provenant de

BIG est composeacute de CaCO3 et CaO(OH)2

Figure II-18 Diffractogramme des eacutechantillons bruts de chaux de BIG

La composition mineacuteralogique du deacutechet de BIG est donc drsquointeacuterecirct pour une valorisation comme

matiegraveres premiegraveres destineacutees aux applications industrielles En effet les tempeacuteratures de

transformation associeacutees aux diffeacuterents composeacutes du deacutechet seront drsquoun apport particulier pour

lrsquoidentification du proceacutedeacute drsquoeacutelaboration approprieacute


La Figure II-19 illustre le comportement thermique des poudres de BIG agrave travers les

courbes TGDSC Un peu avant 200 degC on observe un faible pic endothermique Cette reacuteaction

est certainement le reacutesultat du deacutepart de lrsquoeau libre de lrsquoeacutechantillon Vers 500 degC une reacuteaction

endothermique de forte amplitude est observeacutee La reacuteaction est suivie drsquoune perte de masse

drsquoenviron 10 Ces informations permettent drsquoassocier les reacuteactions agrave la transformation de

lrsquohydroxyde de calcium en oxyde de calcium Autour de 840 degC on remarque un autre pic

endothermique de moyenne amplitude avec une perte de masse de 15 Crsquoest le carbonate de

calcium qui se transforme en oxyde de calcium Les eacutequations correspondantes agrave ces deux

derniegraveres reacuteactions ont eacuteteacute preacutesenteacutees dans la Section 1421 de ce chapitre Loxyde de calcium

(CaO) produit agrave partir de ces reacuteactions est un composeacute qui a le potentiel de reacuteduire la tempeacuterature

de fusion et la viscositeacute des meacutelanges de matiegraveres mineacuterales primaires [211]

Chapitre II 75

Figure II-19 Courbes TGDSC de la chaux de BIG

En prenant en consideacuteration la composition chimique et mineacuteralogique une deacutemarche efficace

de reacuteutilisation de ce deacutechet consiste agrave produire des ceacuteramiques reacutefractaires [217] Lrsquoeacutelaboration

des ceacuteramiques par cette approche permettrait de contribuer agrave ameacuteliorer le proceacutedeacute drsquoeacutelaboration

33 Potentiel des mateacuteriaux identifieacutes pour le stockage thermique

Les perspectives qursquooffrent les mateacuteriaux comme les huiles syntheacutetiques en matiegravere de

disponibiliteacute de cout et drsquoimpact environnemental ne sont plus peacuterennes de nos jours Les huiles

veacutegeacutetales au premier rang desquels lrsquoHBJC se preacutesente comme une alternative locale Cette huile

veacutegeacutetale non comestible est disponible en Afrique de lrsquoOuest ne preacutesente agrave priori pas de conflits

drsquousage Son coucirct relativement faible compareacute aux huiles syntheacutetiques lui confegravere un avantage

certain Par ailleurs sa biodeacutegrabiliteacute confeacutereacutee par sa nature veacutegeacutetale vient srsquoajouter aux

preacuteceacutedents avantages Toutefois comme tous les mateacuteriaux elle se deacutegrade avec le temps

pendant son utilisation Il est donc indispensable drsquoeacutevaluer cette instabiliteacute qui est un facteur

limitant de son utilisation agrave long terme

Dans le mecircme sens nous avons montreacute que les mateacuteriaux comme la lateacuterite les cendres de

foyer et la chaux eacuteteinte ont lrsquoavantage de pouvoir remplacer une partie importante du fluide tregraves

souvent couteux Ces mateacuteriaux sont largement disponibles en Afrique de lrsquoOuest

Conformeacutement agrave leurs teneurs en oxydes ainsi que repreacutesenteacutees sur la Figure II-20 les matiegraveres

premiegraveres solides seacutelectionneacutees ci-dessus sont repreacutesenteacutees sur le diagramme ternaire des

ceacuteramiques (SiO2 Al2O3 et CaO) Cela ouvre de larges perspectives de fabrication dune grande

varieacuteteacute de mateacuteriaux reacutefractaires adapteacutes au contexte local et approprieacutes aux diffeacuterentes

contraintes des futures technologies CSP En fonction de la tempeacuterature de traitement et de la

contribution respective de chaque composeacute les mateacuteriaux identifieacutes offrent la possibiliteacute

drsquoeacutelaborer des mateacuteriaux contenant de la mullite de lrsquoanorthite ou la wallostonite

Chapitre II 76

Figure II-20 Repreacutesentation des matiegraveres premiegraveres seacutelectionneacutees sur le diagramme ternaire

des ceacuteramiques a) repreacutesentation des lateacuterites de Dano b) Repreacutesentation des cendres de foyer de

SONICHAR et de la chaux eacuteteinte de BIG

La composition chimique des cendres volantes silico-alumineuses est typique des systegravemes

ternaires des ceacuteramiques (SiO2-Al2O3-CaO) les plus courantes Comme repreacutesenteacute sur la Figure

II-20-a les cendres de foyer placeacutees sur le diagramme ternaire se situent alors dans la zone

attribueacutee agrave la mullite une ceacuteramique reacutefractaire courante Les lateacuterites de Dano quant agrave elles

placeacutees sur un autre systegraveme (SiO2-Al2O3-Fe2O3) preacutesentent un inteacuterecirct significatif pour

lrsquoeacutelaboration de mateacuteriaux contenant des phases reacutefractaires comme le spinelle et la mullite

(Figure II-20-b) Cette composition confegravere donc aux cendres de foyer et aux lateacuterites les

aptitudes drsquoune bonne matiegravere premiegravere pour la production de verres et de ceacuteramiques En

combinant de la chaux eacuteteinte avec de la cendre de fond ou de la lateacuterite il serait eacutegalement

possible deacutelaborer des ceacuteramiques reacutefractaires composites Crsquoest le processus de vitrification-

cristallisation des composants compleacutementaires du diagramme ternaire SiO2 de SONICHAR

Al2O3 et Fe2O3 de lateacuterite du Burkina Faso et CaO de BIG pour produire des ceacuteramiques denses

[144] En fonction de la tempeacuterature et de la contribution respective de chaque composeacute ces

mateacuteriaux peuvent permettre deacutelaborer des ceacuteramiques reacutefractaires utilisables dans les systegravemes

de stockage des CSP

Au mecircme titre que les mateacuteriaux eacutelaboreacutes ces derniegraveres anneacutees au laboratoire PROMES il

est possible de deacutevelopper des ceacuteramiques agrave faibles coucircts adapteacutees pour le stockage thermique

particuliegraverement en ce qui concerne les proprieacuteteacutes thermophysiques Les ceacuteramiques industrielles

sont tregraves coucircteuses (4000 euro agrave 9000 eurotonnes) et neacutecessitent drsquoimportantes quantiteacutes de matiegraveres

premiegraveres qui impactent sur les ressources mineacuterales naturelles Les mateacuteriaux identifieacutes (les

lateacuterites les cendres de foyer et la chaux) peuvent permettre de produire de nouvelles ceacuteramiques

pour le stockage de la chaleur haute tempeacuterature et ainsi reacuteduire les impacts eacuteconomiques tout en

preacuteservant les ressources naturelles

Chaux de BIG

Cendres de foyer

Surface des ceacuteramiques envisageacutees

LADA4

LADA3

LADA2

LADA1

Chapitre II 77

4 Conclusion

Dans ce chapitre il srsquoest agi drsquoidentifier des ressources de matiegravere premiegravere permettant

drsquoenvisager une utilisation dans les CSP tout en prenant en compte la disponibiliteacute de la

ressource et ses caracteacuteristiques intrinsegraveques

Les systegravemes de stockage agrave chaleur sensible utilisent agrave la fois des mateacuteriaux solides et

liquides qui sont pour la plupart des mateacuteriaux syntheacutetiques Les huiles veacutegeacutetales comme lrsquohuile

de Jatropha Curcas pourraient ecirctre une alternative viable Lrsquoanalyse du potentiel eacuteconomique et

social montre que cette huile pourrait permettre de reacuteduire de faccedilon significative le coucirct du

systegraveme de stockage Toutefois il est primordial drsquoeacutevaluer la durabiliteacute drsquoune telle huile au

regard de son caractegravere innovant En effet une eacutetude de stabiliteacute de lrsquohuile de Jatropha Curcas

aura pour enjeu de deacutefinir le cadre de son utilisation Cette eacutetude fait lrsquoobjet du chapitre 3

Le chapitre 2 a eacutegalement permis de mettre en eacutevidence la disponibiliteacute de la lateacuterite de

lrsquoargile des cendres de foyer et de la chaux mais eacutegalement de ses proprieacuteteacutes tant

mineacuteralogiques que thermiques Les mateacuteriaux identifieacutes sont avantageusement distribueacutes dans

les diagrammes ternaires des ceacuteramiques Ceci ouvre de grandes perspectives pour lrsquoeacutelaboration

drsquoune large varieacuteteacute de mateacuteriaux reacutefractaires approprieacutes aux diffeacuterentes contraintes des

technologies CSP du futur En effet les principales transformations observeacutees sur les lateacuterites

les cendres de foyer et la chaux permettent drsquoenvisager deux approches de traitement thermique

Une approche de traitement thermique direct pour ameacuteliorer la structure et ainsi augmenter la

conductiviteacute thermique Deuxiegravemement la vitrification des mateacuteriaux identifieacutes afin de produire

des ceacuteramiques composites reacutefractaires Par ailleurs les mateacuteriaux eacutetudieacutes ont montreacute la preacutesence

drsquooxydes meacutetalliques qui apregraves traitement thermique conduiraient agrave une bonne conductiviteacute

Ces transformations peuvent ecirctre exploiteacutees pour formuler et eacutelaborer des mateacuteriaux adapteacutes aux

tempeacuteratures de fonctionnement (250 degC 400 degC 800 degC 1000 degC) des diffeacuterents CSP

deacuteveloppeacutes de nos jours Par conseacutequent les diffeacuterents TESM susceptibles de se former aux

tempeacuteratures caracteacuteristiques ont eacuteteacute identifieacutes et leur potentiel pour les diffeacuterents CSP sera

discuteacute dans le chapitre 4

Chapitre III 78

Chapitre III Huile de Jatropha curcas

comme fluide de transfert et de stockage de

chaleur dans les CSP eacutetude expeacuterimentale

de la stabiliteacute thermique de lrsquohuile

Chapitre III 79

Introduction

Afin drsquoecirctre plus compeacutetitif avec drsquoautres eacutenergies renouvelables le coucirct de production de

lrsquoeacutelectriciteacute des CSP devrait diminuer La substitution partielle ou totale des mateacuteriaux de

stockage actuellement utiliseacutes dans les systegravemes de stockage permettrait de reacuteduire le coucirct du

systegraveme de stockage et par conseacutequent le coucirct de lrsquoeacutelectriciteacute produite Que se soit dans le

systegraveme agrave thermocline ou celui agrave deux cuves le fluide occupe une place primordiale il peut

jouer le rocircle de mateacuteriaux de transfert de chaleur ou de mateacuteriaux de stockage

Lobjectif de ce chapitre est deacutevaluer la stabiliteacute thermique de lrsquohuile veacutegeacutetale de jatropha

curcas (HVJC) dans diffeacuterentes conditions de fonctionnement dinteacuterecirct pour les applications dans

les CSP En fait lune des principales limites des huiles utiliseacutees comme HTF ou TESM est la

difficulteacute de preacutedire sa durabiliteacute dans une installation solaire Cette durabiliteacute est geacuteneacuteralement

lieacutee agrave la stabiliteacute thermique de lhuile A cette stabiliteacute on associe une tempeacuterature maximale agrave

laquelle aucune deacutegradation significative des proprieacuteteacutes de lhuile nrsquoest observeacutee afin de deacutefinir

les limites de son utilisation Ainsi il apparait neacutecessaire didentifier et de deacutefinir les principaux

paramegravetres agrave veacuterifier dans le but deacutevaluer la capaciteacute de lrsquoHVJC agrave ecirctre utiliseacutee dans les proceacutedeacutes

thermiques agrave haute tempeacuterature Lrsquohuile brute a eacuteteacute vieillie par cyclage en utilisant des reacuteacteurs

en acier galvaniseacute et en acier inoxydable 316L Les tests ont eacuteteacute meneacutes dans des conditions

statiques et dynamiques agrave 210 degC Lrsquoeacutevolution des paramegravetres physico-chimiques de lrsquoHVJC tels

que la viscositeacute la densiteacute le point eacuteclair laciditeacute lindice diode lindice de peroxyde et de la

composition chimique ont eacuteteacute examineacutes apregraves les diffeacuterents traitements thermiques

La tempeacuterature de 210 degC a eacuteteacute choisie pour les raisons suivantes

210 degC est la tempeacuterature de fonctionnement maximale fixeacutee pour la centrale

CSP4Africa un pilote CSP de 100 kWth en construction sur le campus de 2iE [33] qui

est le point de deacutepart de cette eacutetude Agrave premiegravere vue la tempeacuterature de 210 degC peut

paraicirctre relativement faible Cependant selon une eacutetude documentaire meneacutee en 2015 sur

des centrales dont la puissance eacutelectrique est infeacuterieure agrave 500 kW [33] sur les 12

centrales CSP identifieacutees seulement 2 dentre elles fonctionnaient avec une tempeacuterature

supeacuterieure agrave 250 degC [5] En effet la plupart dentre elles fonctionnent avec un ORC qui

neacutecessite un niveau de tempeacuterature dentreacutee de chaleur relativement faible Ces machines

sont conccedilues pour des tempeacuteratures moyennes (150-250 degC) il nest donc pas neacutecessaire

drsquoavoir des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees

Lrsquoutilisation de lhuile nest pas exclusivement deacutevoueacutee agrave des applications CSP mais pour

tout proceacutedeacute industriel neacutecessitant lutilisation dun fluide caloporteur agrave moyenne

tempeacuterature Cette eacutetude doit ecirctre comprise dun point de vue plus large non pas axeacutee

uniquement sur le CSP bien quelle ait eacuteteacute le point de deacutepart Par exemple lHVJC peut

ecirctre utiliseacute pour le seacutechage ou le preacutechauffage dans des proceacutedeacutes industriels Elle peut

eacutegalement ecirctre utiliseacutee dans les proceacutedeacutes de reacutefrigeacuteration par sorption ougrave les niveaux de

tempeacuterature sont compris entre 100 et 200 degC

Chapitre III 80

1 Meacutethode et approche expeacuterimentale drsquoeacutetude de la

stabiliteacute thermique de lrsquohuile de Jatropha curcas

Dans cette eacutetude nous avons utiliseacute de lhuile HVJC fournie par la Socieacuteteacute Belwet au

Burkina Faso Les caracteacuteristiques initiales de lrsquohuile ont eacuteteacute mesureacutees au deacutebut de chaque essai

car les proprieacuteteacutes physiques et chimiques de lhuile sont affecteacutees par la qualiteacute de la matiegravere

premiegravere le proceacutedeacute de production et les conditions de stockage La Figure III-1 preacutesente les

diffeacuterentes meacutethodes utiliseacutees

Figure III-1 Diffeacuterentes des meacutethodes de test utiliseacutees et les conditions associeacutees

Il srsquoest agi dans un premier temps drsquoeacutevaluer le comportement thermique de lrsquoHVJC sur une

petite quantiteacute drsquoeacutechantillons Dans une seconde approche nous avons reacutealiseacute des tests de

stabiliteacute sur des quantiteacutes plus importantes afin de pouvoir mesurer les diffeacuterentes proprieacuteteacutes

drsquointeacuterecirct pour la compreacutehension du comportement de lrsquohuile Ces meacutethodes et approches seront

expliciteacutees en deacutetail dans les parties qui suivent

11 Analyse thermogravimeacutetrique (TG) et diffeacuterentielle thermique (DTA)

Concernant lrsquoapproche agrave petite eacutechelle lrsquoanalyse thermogravimeacutetrique a eacuteteacute utiliseacutee

comme on peut lrsquoobserver sur La Figure III-1 Elle permet drsquoavoir une premiegravere approximation

de la deacutegradation de lrsquohuile en fonction de la tempeacuterature Nous avons dabord effectueacute un

balayage rapide jusqursquoagrave 500 degC agrave lrsquoaide de lanalyse thermogravimeacutetrique afin de deacuteterminer la

500 C10 degCmin

Analyse rapide par ATGATD

210 C

Analyse long terme par ATG

Petite

eacutechelle

(30 ml)

Grande

eacutechelle

(21 l)

210 C

10 cycles

Tests dynamiques dans le reacuteacteur en acier galvaniseacute et en acier inoxydable 316L

210 C

Tests pseudo-statiques et statiques dans le reacuteacteur en acier inoxydable 316L

25 h

8h

8h210 C

500 h

Sous N2

10 cycles

Sous N2

Chapitre III 81

plage de tempeacuterature de deacutegradation (Td) de lrsquohuile Par la suite en fonction de la litteacuterature et

des connaissances sur lutilisation des huiles comme TESM ou HTF nous avons seacutelectionneacute des

paramegravetres cleacutes afin drsquoeacutetudier le comportement thermique de lrsquoHVJC pendant des dureacutees plus

longues

La stabiliteacute thermique des composeacutes chimiques et des mateacuteriaux est le plus souvent

caracteacuteriseacutee par la tempeacuterature de deacutecomposition (Td) deacutetermineacutee agrave partir de lanalyse

thermogravimeacutetrique La Td est communeacutement deacutefinie comme la valeur correspondante au point

drsquointersection entre le segment horizontal correspondant agrave une perte de masse de 1 et la

tangente agrave la partie descendante correspondant agrave la perte importante de masse du thermogramme

[68104] Cette tempeacuterature est fonction de la nature chimique de la substance du poids de

leacutechantillon et des conditions expeacuterimentales Plus la vitesse de chauffage de leacutechantillon est

eacuteleveacutee plus vite apparait la deacutecomposition Par conseacutequent pour comparer les stabiliteacutes

thermiques de diffeacuterents composeacutes il est neacutecessaire de precircter une attention particuliegravere aux

conditions expeacuterimentales appliqueacutees

La deacutegradation dune huile deacutepend principalement de deux paramegravetres le temps de

fonctionnement et la tempeacuterature de travail Toutefois comme il a eacuteteacute mentionneacute preacuteceacutedemment

lors de lrsquoutilisation du fluide il est en contact avec diffeacuterents mateacuteriaux environnants et se trouve

dans une atmosphegravere singuliegravere (avec ou sans oxygegravene) qui peuvent engendrer ou acceacutelerer sa

deacutegradation Afin de seacutelectionner les conditions dexploitation les plus approprieacutees pour eacutevaluer

la deacutegradation de lrsquoHVJC dans la centrale une proceacutedure baseacutee sur la technique TG a eacuteteacute

utiliseacutee Tout dabord une analyse TG est utiliseacutee pour identifier les pertes de masse de lrsquohuile en

fonction du niveau de tempeacuterature et identifier la plage de tempeacuterature dans laquelle une

deacutegradation importante de lrsquohuile commence Ensuite des tests de stabiliteacute agrave long terme ont eacuteteacute

reacutealiseacutes agrave 210 degC qui est la tempeacuterature maximale drsquoutilisation de lrsquohuile de Jatropha dans

lrsquoapplication envisageacutee afin de srsquoassurer que lrsquohuile reste stable agrave ce niveau de tempeacuterature Des

tests de stabiliteacute sur des dureacutees plus importantes sont ensuite reacutealiseacutes

Le calorimegravetre Setsys2000 de SETERAM a eacuteteacute utiliseacute pour lATG Environ 30 mg dhuile

ont eacuteteacute introduits dans un creuset de platine Pour les tests de balayage rapide leacutechantillon a eacuteteacute

chauffeacute de la tempeacuterature ambiante agrave 500 degC avec une vitesse de chauffage de 10 degCmin-1

sous

atmosphegravere dazote Pour les essais agrave long balayage leacutechantillon est chauffeacute agrave la tempeacuterature

drsquoutilisation envisageacutee et maintenue agrave cette tempeacuterature pendant 25 h sous atmosphegravere inerte

12 Proceacutedure de chauffage pour les tests de stabiliteacute

Dans le but de rester autant que possible proches des conditions de fonctionnement dune

centrale solaire agrave concentration deacutenergie des tests agrave grande eacutechelle ont eacuteteacute effectueacutes sur des

eacutechantillons de 21 l drsquohuile dans un reacuteacteur repreacutesentant le systegraveme de stockage Ainsi comme

lrsquoillustre la Figure III-1 trois types de tests ont eacuteteacute effectueacutes Il srsquoagit des tests en reacutegime

statique pseudo-statique et dynamique Par la suite en fonction de la litteacuterature et des

connaissances sur lutilisation des huiles comme TESM ou HTF nous avons seacutelectionneacute des


longues que celles utiliseacutees pour lrsquoapproche agrave petite eacutechelle Avec la meacutethode agrave grande eacutechelle

les proprieacuteteacutes physiques (viscositeacute densiteacute et point eacuteclair) les proprieacuteteacutes chimiques (indice

daciditeacute indice diode indice de peroxyde et teneur en eau) et la teneur en meacutetaux (fer zinc et

Chapitre III 82

plomb) de lrsquoHVJC ont eacuteteacute analyseacutees avant et apregraves les tests Lrsquoeacutevolution de ces proprieacuteteacutes devrait

nous permettre drsquoappreacutehender le comportement de lrsquoHVJC dans les conditions drsquoutilisations

121 Tests de stabiliteacute thermique

La compatibiliteacute entre lrsquoHVJC et lenveloppe du reacuteacteur a eacuteteacute eacutetudieacutee Les mateacuteriaux

couramment utiliseacutes pour les reacuteservoirs dans le systegraveme agrave haute tempeacuterature comme lacier

inoxydable de type 316L et les mateacuteriaux disponibles localement comme lacier galvaniseacute ont eacuteteacute

seacutelectionneacutes pour la preacutesente eacutetude Les aciers inoxydables ont la capaciteacute de geacuteneacuterer

naturellement en surface un film protecteur Cette couche passive (riche en oxyde de chrome)

est stable chimiquement inerte et reacutesistante agrave la corrosion Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation de lrsquoacier

galvaniseacute se justifie par le fait qursquoil est important de savoir si les mateacuteriaux habituellement

utiliseacutes comme lacier galvaniseacute moins coucircteux et localement disponible peuvent ecirctre une

alternative pertinente agrave lrsquoacier inoxydable

1211 Proceacutedure des tests dynamiques

Le dispositif expeacuterimental est illustreacute scheacutematiquement sur la Figure III-2 a Le reacuteacteur est

composeacute dun contenant de 14 cm de diamegravetre 15 cm de hauteur couverts par un couvercle carreacute

de 24 cm de cocircteacute (Figure III-2 b) Une image du dispositif expeacuterimental utiliseacute est preacutesenteacutee en

Annexe IAnnexe I Les essais dynamiques ont eacuteteacute effectueacutes en utilisant une charge denviron

21 l dHVJC dans le reacuteacteur Ensuite le reacuteacteur a eacuteteacute fermeacute avec un couvercle et lHVJC a eacuteteacute

chauffeacute par lintermeacutediaire dun bain thermostateacute jusquagrave 210 degC qui repreacutesente la tempeacuterature

maximale de fonctionnement preacutevue pour lapplication cible [33]

Figure III-2 (a) Repreacutesentation scheacutematique du dispositif expeacuterimental pour les essais

dynamiques et pseudo-statique (b) Reacuteacteur de test

Une fois la tempeacuterature finale atteinte le reacuteacteur est refroidi jusqursquoagrave la tempeacuterature ambiante

par convection naturelle Le couvercle est ensuite retireacute et un eacutechantillon de 150 ml est preacuteleveacute

pour subir les diffeacuterentes analyses preacuteceacutedemment indiqueacutees Un joint en graphite entre le

huile

Thermocouple

Tested oil

Reactor

Thermal bath

Gaz burner

Temperature display

14 cm

24 cm

24 cm

15 cm5 cm

Graphite seal

Lid

Container

(a) (b)

Chapitre III 83

couvercle et le contenant permet de maintenir lrsquoeacutetancheacuteiteacute Lhuile restant dans le reacuteacteur est agrave

nouveau soumise agrave la mecircme proceacutedure Le mecircme test est ainsi reacutepeacuteteacute dix fois successivement

Leacutevolution de la tempeacuterature au cours des tests dynamiques est preacutesenteacutee dans la Figure III-3

Figure III-3 Eacutevolution de la tempeacuterature de lrsquohuile pendant les tests en reacutegimes dynamiques

Par conseacutequent il y a plus dair disponible dans le reacuteacteur dun cycle agrave lrsquoautre au cours des

essais dynamiques Une proceacutedure plus rigoureuse de leffet du cycle neacutecessiterait un nouveau lot

de 21 l dhuile pour chaque nombre de cycles Ainsi les tests dynamiques pseudo-statiques et

statiques ne doivent pas ecirctre compareacutes directement entre eux chaque test doit ecirctre consideacutereacute

seacutepareacutement et fournit des informations utiles pour la compreacutehension de la deacutegradation du fluide

dans ses conditions propres

1212 Proceacutedure des tests pseudo-statiques

Dans le cas des tests pseudo-statiques une eacutetape statique a eacuteteacute introduite aux opeacuterations

preacuteceacutedentes le reacuteacteur a eacuteteacute maintenu durant 8 h agrave 210 degC agrave la fin de chaque eacutetape de

chauffage pendant les dix cycles successifs La Figure III-4 montre leacutevolution de la tempeacuterature

dans des tests pseudo-statiques

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

0 500 1000 1500 2000 2500

Tem

per

atu

re ( C

)

Time (min)

210 C

Chapitre III 84

Figure III-4 Eacutevolution de la tempeacuterature de lrsquohuile pendant les tests en reacutegimes pseudo-

statiques

La tempeacuterature au centre du reacuteacteur (repreacutesenteacutee sur la Figure III-2 a) et agrave la paroi interne

du reacuteacteur a eacuteteacute mesureacutee La diffeacuterence de tempeacuterature mesureacutee entre la paroi interne et le

centre de lhuile eacutetait infeacuterieure agrave 15 degC lorsque la tempeacuterature de 210 degC eacutetait atteinte au centre

du reacuteacteur On peut donc supposer que la tempeacuterature dans le reacuteacteur est pratiquement

uniforme et que les mesures repreacutesentent raisonnablement le comportement de lhuile agrave environ

210 degC

1213 Proceacutedure des tests statiques

Concernant les tests statiques un premier test agrave vide a eacuteteacute effectueacute afin de srsquoassurer que la

tempeacuterature de lrsquohuile dans le four correspond agrave la consigne de chauffage de 210 degC Ainsi le

reacuteacteur fermeacute contenant de lrsquohuile est introduit dans le four Aucune extraction de lair restant

dans le reacuteacteur nrsquoa eacuteteacute reacutealiseacutee Un thermocouple introduit dans lrsquoorifice (Figure III-2 b) permet

de mesurer la tempeacuterature de lrsquohuile et de deacuteterminer la variation agrave appliquer lors du test reacuteel

Une fois effectueacutee la mecircme quantiteacute dhuile a eacuteteacute initialement introduite dans le reacuteacteur Apregraves

avoir fermeacute le couvercle le reacuteacteur a eacuteteacute placeacute dans la chambre drsquoun four eacutelectrique agrave 210 degC

dans des conditions atmospheacuteriques pendant 500 h Ce temps est la dureacutee drsquoessai recommandeacutee

par la norme ameacutericaine D6743-01 Meacutethode drsquoessai standard pour la stabiliteacute thermique des

fluides organiques de transfert de chaleur [218] Cette dureacutee tend agrave ecirctre la norme adopteacutee par

divers auteurs qui ont eacutetudieacute la stabiliteacute thermique des fluides caloporteurs utiliseacutes dans le CSP

par exemple dans les reacutefeacuterences [69219] Dans ce cas de figure seul le reacuteacteur en acier

inoxydable a eacuteteacute utiliseacute comme contenant Le test a eacuteteacute reacutepeacuteteacute trois fois de faccedilon agrave garantir une

reproductibiliteacute des mesures avec une erreur standard infeacuterieure agrave 5 La tempeacuterature de lhuile a

eacuteteacute surveilleacutee en utilisant un thermocouple drsquoune incertitude de plusmn1 degC Nous avons eacutegalement

mesureacute la tempeacuterature sur la paroi interne du reacuteacteur pendant lessai La diffeacuterence de

tempeacuterature observeacutee est de 04 degC Puisque la tempeacuterature dans le four est maintenue agrave

2104 plusmn1 degC on peut raisonnablement supposer que la tempeacuterature dans le reacuteacteur est la mecircme

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Tem

per

atu

re ( C

)

Time (min)

8 h

210 C

Chapitre III 85

que celle du four apregraves un certain temps (neacutegligeable par rapport agrave la dureacutee de lessai 500 h) et

est homogegravene dautant plus que le reacuteacteur est composeacute drsquoacier inoxydable dune eacutepaisseur de

2 mm Par ailleurs cette variation se situe dans la plage de preacutecision des capteurs de tempeacuterature

utiliseacutes Ainsi la tempeacuterature de lhuile est consideacutereacutee pratiquement agrave tempeacuterature uniforme

pendant les tests

122 Choix des proprieacuteteacutes physiques et chimiques permettant drsquoeacutevaluer la deacutegradation

thermique drsquoune huile veacutegeacutetale

Au regard de la nature de lrsquohuile veacutegeacutetale et de la litteacuterature sur les huiles en geacuteneacuteral nous

avons choisi une seacuterie de meacutethodes et de paramegravetres applicables agrave la caracteacuterisation de lrsquoHVJC

avant et apregraves les tests Les proprieacuteteacutes physiques (viscositeacute et point eacuteclair) les proprieacuteteacutes

chimiques (nombre daciditeacute la valeur de liode la valeur de peroxyde et deau) et la composition

chimique de lrsquoHVJC ont ainsi eacuteteacute analyseacutees avant et apregraves les essais susmentionneacutes Ces

diffeacuterents paramegravetres sont preacutesenteacutes et discuteacutes dans cette partie

1221 Viscositeacute

Le dimensionnement et le choix des pompes et tuyaux pour le transport de lhuile chaude

exigent que la viscositeacute de lhuile soit connue La viscositeacute de lrsquohuile veacutegeacutetale est dun inteacuterecirct

particulier sur les coucircts de pompage dexploitation et dentretien [98] De faccedilon geacuteneacuterale la

viscositeacute des huiles veacutegeacutetales augmente avec la longueur de la chaine (nombre datomes de

carbone) et diminue avec lrsquoindice de saturation (drsquoiode) [220221] Loxygegravene peut favoriser la

formation des liens dhydrogegravene qui augmentent les forces intermoleacuteculaires provoquant un

regroupement des moleacutecules (polymeacuterisation) et par la suite une augmentation de la viscositeacute En

plus de la polymeacuterisation des moleacutecules contenues dans lrsquohuile laugmentation de la longueur de

la chaicircne carboneacutee megravene agrave laugmentation de la viscositeacute [222223] Drsquoautre part une forte

concentration en acides gras satureacutes induit geacuteneacuteralement une viscositeacute eacuteleveacutee [222] Toutefois

les acides gras satureacutes seuls ne gouvernent pas le comportement de la viscositeacute En regravegle

geacuteneacuterale la viscositeacute est tregraves sensible agrave la tempeacuterature Les huiles veacutegeacutetales sont tregraves visqueuses

agrave tempeacuterature ambiante Par contre aux hautes tempeacuteratures les viscositeacutes deacutecroissent tregraves

rapidement agrave cause de la diminution des forces intermoleacuteculaires [98] Concernant les acides

gras insatureacutes elles ne se comportent pas de la mecircme maniegravere avec lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature

La viscositeacute des huiles veacutegeacutetales composeacutees en majoriteacute drsquoacides gras insatureacutes ayant deux

doubles liaisons comme crsquoest le cas pour lrsquohuile de jatropha curcas change rapidement avec la

tempeacuterature Lrsquoacide oleacuteique que lrsquoon retrouve en grande quantiteacute dans lrsquoHVJC provoquerait une

augmentation de la viscositeacute avec la tempeacuterature alors que lrsquoacide linoleacuteique qui est lui aussi

preacutesent dans lrsquoHVJC induirait une baisse significative avec lrsquoeacuteleacutevation de la tempeacuterature

[100223] Ainsi les huiles qui possegravedent plusieurs doubles liaisons ont une viscositeacute plus faible

agrave cause de leur structure librement remplie [100223] Par ailleurs les processus doxydation

conduisent agrave la formation de produits qui peuvent augmenter la viscositeacute avec laugmentation de

loxydation et vice versa


Dans certaines applications comme les CSP ougrave les risques drsquoincendie sont consideacutereacutes

comme inacceptables il est indispensable drsquoavoir des huiles pour lesquelles ce risque est reacuteduit

Chapitre III 86

Le point eacuteclair est un paramegravetre lieacute agrave la pression de vapeur dun liquide inflammable et est deacutefini

comme eacutetant la tempeacuterature minimale agrave laquelle il peut former un meacutelange combustible avec de

lair Lorsque le point eacuteclair (ou point laquo flash raquo) est atteint une simple source damorccedilage est

capable de provoquer la combustion de lhuile Selon Carareto et al [48] qui ont mesureacute les

points eacuteclair de divers esters eacutethyliques dacides gras les points eacuteclair peuvent ecirctre exprimeacutes en

fonction du nombre datomes de carbone et des doubles liaisons dans lacide gras et le reacutesidu De

plus une eacutetude du point eacuteclair des huiles veacutegeacutetales reacutevegravele que celui-ci diminuerait avec une

augmentation de la teneur en acide gras libre [224] On considegravere que le risque drsquoinflammation

est neacutegligeable lorsque la tempeacuterature de fonctionnement reste infeacuterieure de 20 agrave 30 degC au point

eacuteclair [225]

Il est geacuteneacuteralement rapporteacute que le point eacuteclair des fluides caloporteurs diminue en cas

dexposition thermique prolongeacutee [226227] LInstitut britannique de leacutenergie (The UK-based

Energy Institute) a observeacute des reacuteductions significatives du point eacuteclair des huiles syntheacutetiques

apregraves leur utilisation [228] Il ont par exemple observeacute que le point eacuteclair de Dowtherm A avait

consideacuterablement baisseacute passant de 118 degC agrave 39 degC apregraves trois ans de fonctionnement [228]

Grirate et al [219] ont eacutegalement indiqueacute que le point eacuteclair de Therminol 66 diminue de 178 degC

agrave 78 degC apregraves 500 h de vieillissement agrave 350 degC Ainsi le point eacuteclair des huiles commerciales

diminue continuellement avec le temps

1223 La masse volumique

La masse volumique est un paramegravetre de lhuile qui est tregraves souvent influenceacute par

lrsquooxydation En effet les composeacutes de poids moleacuteculaire eacuteleveacute sont geacuteneacuteralement le produit de la

reacuteaction de polymeacuterisation se produisant agrave des tempeacuteratures eacuteleveacutees et repreacutesentant lrsquoeacutetape finale

du processus doxydation [229] La formation de seacutediments insolubles ou de moleacutecules plus

lourdes par polymeacuterisation favorise lrsquoaugmentant de la masse volumique de lhuile La masse

volumique est donc un indicateur facilement mesurable drsquoune eacuteventuelle deacutegradation Il est

eacutegalement important de noter que la masse volumique est un paramegravetre neacutecessaire pour le calcul

de la capaciteacute de stockage de la chaleur sensible Plus la densiteacute est eacuteleveacutee plus la capaciteacute de

stockage du composeacute est eacuteleveacutee Par ailleurs la masse volumique diminue avec lrsquoaugmentation

de la tempeacuterature Les acides gras insatureacutes ont une influence marqueacutee sur le coefficient de

dilatation qui diminue avec la preacutesence drsquoacide gras mono-insatureacute et polyinsatureacute [230] Pour

une valorisation comme TESM ou HTF les huiles veacutegeacutetales dont les compositions en acides gras

sont principalement insatureacutees sont preacutefeacuterables car leurs diminutions de la masse volumique en

fonction de la tempeacuterature sont plus faibles Cependant comme nous lrsquoavons dit preacuteceacutedemment

les huiles veacutegeacutetales ayant de fortes teneurs en acides gras insatureacutes (palme) ont une viscositeacute tregraves

eacuteleveacutee

1224 Lrsquoindice drsquoaciditeacute


pour neutraliser les acides gras libres dans un eacutechantillon dhuile drsquoun gramme Les acides gras

libres ont des masses moleacuteculaires plus petites que les triglyceacuterides dont ils sont deacuteriveacutes ce qui

rend les acides plus facilement inflammables De plus les acides gras libres peuvent provoquer

la corrosion et des deacutepocircts dans le circuit de tuyauterie des installations Les acides gras libres

sont des marqueurs de la qualiteacute de lhuile veacutegeacutetale puisqursquoelles sont en partie geacuteneacutereacutees lors du

Chapitre III 87

processus de production ainsi quau cours du vieillissement La formation de peroxyde lors de

loxydation de lrsquohuile peut conduire agrave une augmentation de lrsquoindice drsquoaciditeacute [231] Par ailleurs

les acides gras libres reacuteduisent le temps dinduction du processus drsquooxydation des huiles

veacutegeacutetales Ce qui a pour effet drsquoacceacuteleacuterer lrsquooxydation [100232] La teneur en acides gras libres

est un bon indicateur de la qualiteacute de lrsquohuile dautant plus quil est un paramegravetre simple agrave

mesurer

1225 Lrsquoindice drsquoiode

Lrsquoindice drsquoiode exprime le degreacute drsquoinsaturation drsquoun corps gras crsquoest la masse diode

exprimeacute en milligramme qui se fixe lors drsquoune reacuteaction drsquoaddition sur 100 g de corps gras En

fonction de la reacuteactiviteacute des doubles liaisons il est un indicateur de la sensibiliteacute agrave loxydation

des huiles veacutegeacutetales (structure) Lrsquoindice drsquoiode est par conseacutequent un indicateur de la

deacutegradation de lrsquohuile veacutegeacutetale La vitesse doxydation des acides gras deacutepend du nombre de

doubles liaisons sur la moleacutecule et de leur emplacement relatif [114] Ainsi les huiles posseacutedant

plusieurs doubles liaisons seront plus sensibles agrave lrsquooxygegravene agrave haute tempeacuterature Par ailleurs les

huiles insatureacutees ont geacuteneacuteralement une viscositeacute qui augmente avec lrsquoindice drsquoiode [85] Par

contre lrsquohuile satureacutee reacutesiste mieux agrave loxydation mais est plus visqueuse et est souvent solide agrave

la tempeacuterature ambiante dans les climats tempeacutereacutes

1226 Lrsquoindice de peroxyde


doxydation Il est geacuteneacuteralement composeacute des produits doxydation primaire tels que divers

peroxydes et des hydroperoxydes Il indique ainsi la tendance de lhuile veacutegeacutetale agrave soxyder ou se

polymeacuteriser qui peut conduire agrave la formation de particules insolubles telles que des gommes des

seacutediments ou dautres deacutepocircts en particulier sous laction de la lumiegravere de la tempeacuterature de

stockage eacuteleveacutee ou de loxygegravene si lhuile contient des niveaux eacuteleveacutes drsquoacides gras

polyinsatureacutes La stabiliteacute agrave loxydation de lhuile est directement lieacutee agrave son indice de peroxyde

De plus il influence diffeacuterents paramegravetres de lhuile tels que sa densiteacute sa viscositeacute etc Bouaid

et al [38] montrent quun faible indice de peroxyde est neacutecessaire pour avoir une stabiliteacute eacuteleveacutee

de lhuile contre loxydation Lrsquoindice de peroxyde est donc un paramegravetre important pour la

deacutetermination du degreacute doxydation et de la qualiteacute de lhuile car il est directement lieacute agrave la

stabiliteacute

1227 La teneur en eau


des reacuteactions deacuteveloppeacutees au cours du stockage et de la reacuteaction de deacuteshydratation au cours du

processus de chauffage [233] La concentration en eau favorise la croissance microbienne dans le

reacuteservoir la corrosion des tuyaux et dhydrolyse conduisant agrave la formation dacides gras libres

Plus la tempeacuterature augmente plus la solubiliteacute de lrsquoeau dans lrsquohuile est importante Cette

variation de la solubiliteacute en fonction de la tempeacuterature peut srsquoaveacuterer probleacutematique En effet

lorsque lrsquohuile est chauffeacutee lrsquoeau libre peut se dissoudre dans lrsquohuile et lorsque lrsquohuile refroidit

la solubiliteacute de lrsquohuile diminue agrave nouveau laissant apparaitre de lrsquoeau libre susceptible de reacuteagir

avec les acides gras insatureacutes La teneur en eau peut eacutegalement influencer la viscositeacute La

reacuteaction drsquohydrolyse conduit agrave la baisse des acides gras insatureacutes qui ont dans la plupart des cas

Chapitre III 88

un effet plus faible sur la viscositeacute que les acides gras satureacutes En geacuteneacuteral les huiles qui ont une

forte teneur en eau ont des viscositeacutes plus faibles Dapregraves Michael W et al [220] la teneur en

eau aurait un effet plus important sur la viscositeacute que sur laciditeacute

1228 La composition chimique

Pendant le stockage ou lrsquoutilisation les huiles sont en contact avec diffeacuterents eacuteleacutements tels

que les reacuteservoirs les pompes les tuyaux Les matiegraveres insolubles dans lhuile qui reacutesultent de sa

deacutegradation et de la contamination agrave partir de sources externes se deacuteposent dans le systegraveme Ces

produits lieacutes au type de mateacuteriau environnant affectent la dureacutee de vie de lhuile et du mateacuteriau

environnant lui-mecircme Lorsque les huiles veacutegeacutetales sont exposeacutees agrave des oxydes meacutetalliques ou

aux meacutetaux deux types de reacuteactions peuvent ecirctre observeacutes [234235] Soit loxyde de fer reacuteagit

avec les acides gras dans lhuile veacutegeacutetale soit le fer reacuteagit directement avec les acides gras

formant des sels organiques qui sont absorbeacutes agrave la surface du meacutetal en plus de lhydrogegravene

[235] Par conseacutequent en raison dune forte concentration dacides gras libres dans HVJC les

mateacuteriaux environnants peuvent ecirctre corrodeacutes conduisant au transfert de particules solides

comme les meacutetaux dans HVJC [234235] Ainsi une forte teneur en acides gras libres peut

provoquer la corrosion des mateacuteriaux si aucune attention particuliegravere nrsquoest prise pendant la

seacutelection de lrsquohuile En fonction de la composition des mateacuteriaux testeacutes (en acier inoxydable

316L et en acier galvaniseacute) leacutevolution de certains eacuteleacutements chimiques dans HVJC tels que le

fer le zinc et le plomb peuvent permettre de mettre en eacutevidence ces pheacutenomegravenes [114] Drsquoautre

part de tels deacutepocircts pourraient eacutegalement provoquer des changements dans les proprieacuteteacutes

physico-chimiques des huiles veacutegeacutetales La composition chimique permettra donc drsquoavoir une

ideacutee du degreacute dusure et de contamination de lhuile et par conseacutequent donne des informations sur

la compatibiliteacute eacuteventuelle de lhuile avec les mateacuteriaux environnants

2 Reacutesultats et discussions

21 Etude du comportement thermique par lrsquoanalyse rapide et long terme agrave lrsquoaide

de la TG et DTA

211 Analyse TGDTA

Le comportement thermique de lrsquoHVJC agrave petite eacutechelle a eacuteteacute eacutetudieacute par lrsquoanalyse

thermogravimeacutetrique et lrsquoanalyse diffeacuterentielle thermique (DTA) La Figure III-5 preacutesente les

courbes TG et DTA de lrsquoHVJC testeacutee sous azote jusqursquoagrave 500 degC Pendant le chauffage les

triglyceacuterides qui constituent plus de 95 de lrsquohuile produisent des composeacutes volatils qui sont

constamment eacutelimineacutes par la vapeur formeacutee pendant le chauffage Ces produits sont

principalement formeacutes par des reacuteactions thermiques des acides gras insatureacutes et satureacutes Les

courbes montrent la bonne stabiliteacute thermique de lrsquoHVJC jusquagrave une tempeacuterature de 265 degC

Au-dessus de 265 degC une perte de masse est observeacutee La deacutecomposition thermique de ces huiles

se produit en trois eacutetapes lieacutees agrave la deacutecomposition des acides gras respectivement polyinsatureacutes

mono-insatureacutes et satureacutes [101221236]

Chapitre III 89

Figure III-5 Thermogramme TGDTA de lrsquo HVJC jusqursquoagrave 500 degC

La premiegravere eacutetape est observeacutee dans la plage de tempeacuterature comprise entre 265 degC et

350 degC Elle peut ecirctre attribueacutee agrave la deacutecomposition thermique par volatilisation des triglyceacuterides

principalement composeacutes dacides gras mono et polyinsatureacutes LrsquoHVJC est principalement

composeacutee dacide linoleacuteique (C18 2) La preacutesence en grande quantiteacute des acides gras

polyinsatureacutes qui sont geacuteneacuteralement les plus instables agrave haute tempeacuterature pourrait donc avoir

une influence sur la reacuteaction oxydative de lrsquoHVJC lorsquelle est utiliseacutee comme TESM ou HTF

Dans la pratique leacutenergie concentreacutee et convertie en chaleur dans le reacutecepteur solaire induit une

augmentation de la tempeacuterature et de ce fait pourrait permettre cette reacuteaction La deuxiegraveme

eacutetape de deacutecomposition thermique se produit dans lintervalle de tempeacuterature de 350 degC agrave 440 degC

et peut ecirctre attribueacutee agrave la volatilisation des acides gras satureacutes Au cours de cette reacuteaction les

liaisons doubles sont rompues conduisant agrave la saturation des moleacutecules de triglyceacuterides

constituant lrsquohuile La troisiegraveme eacutetape de deacutecomposition enregistreacutee entre 440 et 475 degC est quant

agrave elle attribuable agrave la carbonisation de triglyceacuterides et des moleacutecules de poids moleacuteculaire eacuteleveacute

Eacutetant donneacute que les tempeacuteratures eacuteleveacutees catalysent les reacuteactions dhydrolyse et de

polymeacuterisation des huiles les produits de ces reacuteactions reacuteagissent entre elles et produisent des

monomegraveres cycliques des dimegraveres et des polymegraveres La courbe TG est flatteuse agrave 475 degC

mettant en exergue le fait que la deacutecomposition de lrsquoHVJC est complegravete et sans reacutesidu

Ces trois reacuteactions sont en mesure damorcer ou drsquoacceacuteleacuterer la deacutegradation chimique

responsable de nombreux problegravemes tels que laugmentation des proprieacuteteacutes physiques et

chimiques les deacutepocircts la formation de rouille ainsi que la corrosion Cependant il faut aller plus

loin dans lrsquoanalyse pour conclure deacutefinitivement

Il faut signaler que lrsquoattribution de la perte de masse observeacutee agrave une deacutecomposition en trois

eacutetapes de lrsquohuile est hypotheacutetique et reste agrave prouver Elle est baseacutee sur la deacutecomposition drsquoautres

huiles identifieacutees dans la litteacuterature La perte de masse observeacutee pourrait aussi ecirctre lieacutee agrave la

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

0

20

40

60

80

100

120

25 75 125 175 225 275 325 375 425 475

Der

iva

tiv

e w

eig

ht

(mg

min

)

Wei

gh

t lo

ss (

)

Temperature ( C)

Degradation temperature Td

265 C

Onset temperature Tonset

390 C

Offset temperature Toffset

475 C

TG

DTA

Pert

e d

e m

ass

e (

)

Tempeacuterature (degC)

Deacuter

iveacutee

de

la m

ass

e (m

gm

in)

Tempeacuterature offset Toffset

Tempeacuterature onset Tonset

Tempeacuterature de deacutegradation Td

Chapitre III 90

vaporisation de lrsquohuile pheacutenomegravene reacuteversible puisque lrsquoATG est effectueacutee agrave pression

atmospheacuterique et la tempeacuterature drsquoeacutebullition de lrsquohuile de Jatropha est de 297 degC Par ailleurs si

lrsquoon analyse de pregraves les huiles commerciales comme Xceltherm 600 et Syltherm XLT on

remarque que leur point drsquoeacutebullition agrave pression atmospheacuterique qui est respectivement de 310 degC

et 200 degC est eacutegalement proche de leur tempeacuterature de fonctionnement recommandeacutee (316 degC

pour Xceltherm 600 et 260 degC pour Syltherm XLT) Rappelons toutefois que la vaporisation se

reacutefegravere ici agrave un pheacutenomegravene physique reacuteversible tandis que la volatilisation des produits de

deacutecomposition se reacutefegravere agrave un pheacutenomegravene irreacuteversible Par conseacutequent des analyses

compleacutementaires sont donc neacutecessaires pour deacuteterminer preacuteciseacutement la nature des pheacutenomegravenes

mis en jeu

212 Analyse long terme de la masse par TG

Le test de balayage rapide montre que les pertes de masse observeacutees sont au-delagrave de

210 degC tempeacuterature maximale de fonctionnement cible du pilote CSP4Africa [33] LrsquoATG

isotherme agrave 210 degC de longue dureacutee a alors eacuteteacute reacutealiseacutee La Figure III-6 illustre la courbe TG de

la stabiliteacute pendant 25 h de lrsquoHVJC

Figure III-6 Thermogramme de lrsquoHVJC analyseacute pendant 25 h agrave 210 degC

On peut observer qursquoapregraves les premiegraveres 10 h une perte drsquoenviron 5 de la masse de lhuile a eacuteteacute

enregistreacutee La variation observeacutee est geacuteneacuteralement attribueacutee agrave la perte des moleacutecules de faibles

poids dans lhuile [101] Il peut aussi srsquoagir tout au moins en partie drsquoune vaporisation de

lrsquohuile Par ailleurs vu la dureacutee du test il ne pourrait srsquoagir exclusivement que de la vaporisation

de lrsquohuile La perte de masse apregraves 25 h aurait eacuteteacute totale dans ce cas Par conseacutequent drsquoautres

pheacutenomegravenes comme la deacutecomposition des moleacutecules de faibles poids et celle des acides gras de

lrsquohuile pourraient avoir lieu Toutefois ce leacuteger effet est consideacuterablement reacuteduit apregraves les 10 h

suivante agrave 1 suppleacutementaire en masse La masse reste pratiquement constante pendant la dureacutee

restante de lessai ce qui indique une absence de reacuteaction et donc une eacuteventuelle stabiliteacute de

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25

Wei

gh

t lo

ss (

)

Time (h)

Pert

e d

e m

ass

e (

)

Temps (h)

Chapitre III 91

lhuile agrave cette tempeacuterature Lrsquoune des limites des analyses TGDTA est qursquoelles sont effectueacutees

sur des petites quantiteacutes drsquoeacutechantillons (10 mg) Cela ne permet pas de prendre en compte les

effets de volume Ainsi des tests avec de plus grandes quantiteacutes dhuile ont eacuteteacute reacutealiseacutes tout en

prenant en compte les conditions proches de celle des CSP Il srsquoagit des tests dynamiques

pseudo-statiques et statiques agrave 210 degC

Par ailleurs mecircme si les huiles syntheacutetiques ont des tempeacuteratures de fonctionnement

supeacuterieures agrave 210 degC il nest pas toujours neacutecessaire davoir de tels niveaux de tempeacuterature Pour

les CSP de petites tailles dans lesquels les cycles Rankine organiques sont couramment utiliseacutes

pour convertir la chaleur en eacutelectriciteacute la tempeacuterature peut ecirctre limiteacutee entre 250 degC et 300 degC

Crsquoest qui est le cas pour le projet CSP4Africa [33] En outre on considegravere geacuteneacuteralement que le

risque dinflammation est neacutegligeable lorsque la tempeacuterature de fonctionnement est infeacuterieure de

20 degC au point eacuteclair [225]

22 Tests dynamiques de stabiliteacute thermique de lrsquoHVJC

221 Eacutevolution des proprieacuteteacutes physiques

La Figure III-7 montre leacutevolution de la viscositeacute cineacutematique de lrsquoHVJC agrave 40 degC pendant

le cyclage thermique dans un reacuteacteur en acier galvaniseacute et reacuteacteur en acier inoxydable On

constate que la viscositeacute cineacutematique de lhuile augmente apregraves le 4egraveme

7egraveme

et le 10egraveme

cycle avec

lrsquoeacutevolution du cyclage dans les deux types de reacuteacteurs

Chapitre III 92

Figure III-7 Eacutevolution de la teneur des proprieacuteteacutes chimiques de lrsquoHVJC pendant les tests

dynamiques dans le reacuteacteur en acier galvaniseacute et en acier inoxydable 316L (a) Viscositeacute cineacutematique

(b) point eacuteclair (c) masse volumique

Laugmentation de la viscositeacute peut donc ecirctre le reacutesultat de la formation de composeacutes oxygeacuteneacutes et

des polymegraveres Les valeurs de viscositeacutes cineacutematiques obtenues avec lrsquoHVJC testeacutee dans le

reacuteacteur en acier galvaniseacute sont plus eacuteleveacutees que celles obtenues dans le reacuteacteur en acier

inoxydable 316L Ainsi lrsquoaugmentation de la viscositeacute pourrait donc ecirctre attribueacutee agrave la

deacutecomposition de lrsquoacide linoleacuteique (C18 2) Ces reacutesultats mettent en exergue le fait que la

tempeacuterature et le type de couche de revecirctement des reacuteacteurs ont un effet sur le processus et la

vitesse de deacutegradation [114] Par ailleurs mecircme si la viscositeacute cineacutematique de lrsquoHVJC agrave 40 degC

est supeacuterieure agrave celle des huiles syntheacutetiques la diffeacuterence tend agrave srsquoannuler agrave plus de 200 degC En

effet si nous prenons le cas de lrsquohuile Syltherm XLT qui a une tempeacuterature de fonctionnement

maximale de 260 degC sa viscositeacute cineacutematique agrave 210 degC est de 023 mPamiddots compareacutee agrave

173 mPamiddots pour lrsquohuile de jatropha agrave la mecircme tempeacuterature

Sur la Figure III-7 b une baisse du point eacuteclair est observeacutee aussi bien dans le reacuteacteur en

acier inoxydable 316L que dans celui en acier galvaniseacute Cette chute peut donc ecirctre due agrave la

rupture des doubles liaisons dans lacide gras Neacuteanmoins apregraves dix cycles le point flash reste

toujours supeacuterieur agrave celui de Therminol VP-1 et Syltherm XLT qui est respectivement de 124 degC

et 47 degC Toutefois la baisse du point eacuteclair est susceptible de se poursuivre avec le cyclage

surtout dans ces conditions dessai ougrave le reacuteacteur est agrave plusieurs reprises ouvert lors de

lrsquoeacutechantillonnage (renouvegravelement de lrsquoair ou de loxygegravene dans le reacuteacteur pouvant provoquer

loxydation) Par rapport agrave lhuile testeacutee dans un reacuteacteur en acier galvaniseacute dans lequel le point

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vis

co

siteacute

cin

eacutem

ati

qu

e

(mm

sup2middots-

1)

Nombre de cycle

Acier galvaniseacuteAcier inoxydable 316L

(a)

100

140

180

220

260

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Poin

t eacutec

lair

( C

)

Nombre de cycle


(b)

850

870

890

910

930

950

970

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Mass

e volu

miq

ue

(kgm

sup3)

Nombre de cycle

Acier Galvaniseacute

Acier inoxydable 316L(c)

Chapitre III 93

eacuteclair chute agrave 185 degC apregraves 10 cycles celle testeacutee dans le reacuteacteur en acier inoxydable 316L a un

point eacuteclair final plus eacuteleveacute de 195 degC

La masse volumique des diffeacuterents eacutechantillons a eacuteteacute mesureacutee agrave tempeacuterature ambiante agrave la

fin de chaque cycle La masse volumique (Figure III-7 c) de lrsquohuile testeacutee dans le reacuteacteur en

acier galvaniseacute augmente leacutegegraverement durant le cyclage pour atteindre un taux moyen de 2 agrave la

fin des dix cycles Les valeurs de masse volumique sont plus eacuteleveacutees pendant les cyclages dans

le reacuteacteur en acier galvaniseacute que dans celui en acier inoxydable 316L Par contre la masse

volumique de lrsquohuile cycleacutee dans le reacuteacteur en acier inoxydable 316L reste pratiquement

constante Cette augmentation observeacutee pendant les tests dans le reacuteacteur en acier galvaniseacute est

attribuable au processus doxydation qui en raison de la formation de seacutediments insolubles creacutee

des moleacutecules plus lourdes par polymeacuterisation Par ailleurs le processus de polymeacuterisation est

souvent associeacute agrave une perte dinsaturation caracteacuteriseacutee par lrsquoindice drsquoiode En effet diffeacuterents

travaux ont deacutemontreacute que lors de la formation et la deacutecomposition des hydroperoxydes les

doubles liaisons ne sont pas toujours consumeacutees mais plutocirct restructureacutees [229237] Cette perte

dinsaturation (deacutecomposition de lacide linoleacuteique (C18 2)) se reacutealise principalement pendant le

processus de polymeacuterisation [229] Ce pheacutenomegravene peut conduire agrave la formation des acides gras

mono insatureacutes ou satureacutes qui ont pour effet drsquoaugmenter la masse volumique de lrsquohuile

Ces reacutesultats indiquent que lrsquoaugmentation de la masse volumique observeacutee pendant les

tests de lhuile dans le reacuteacteur en acier galvaniseacute peut ecirctre correacuteleacutee agrave lrsquooxydation et par

conseacutequent agrave leacutevolution de lrsquoindice de peroxyde Les analyses des proprieacuteteacutes chimiques de

lrsquohuile durant les cycles nous permettent drsquoen savoir plus sur cet aspect Toutefois bien que la

valeur de la densiteacute de lrsquoHVJC soit infeacuterieure agrave celle drsquoune huile comme Therminol VP-1 cette

augmentation peut contribuer agrave ameacuteliorer la capaciteacute thermique de lrsquohuile

222 Eacutevolution des proprieacuteteacutes chimiques

La Figure III-8 preacutesente lrsquoeacutevolution des caracteacuteristiques chimiques de lrsquoHVJC au cours des

tests dynamiques La stabiliteacute relative de lrsquoindice dacide agrave environ 15 mgmiddotKOHmiddotg-1

est observeacutee

lors des tests (Figure III-8 a) avec les deux reacuteacteurs

Chapitre III 94

Figure III-8 Eacutevolution de la teneur des proprieacuteteacutes chimiques de lrsquoHVJC durant les tests

dynamiques dans les reacuteacteurs en acier galvaniseacute et en acier inoxydable de type 316L (a) Aciditeacute

totale (b) Teneur en eau (c) Indice de peroxyde (d) Indice drsquoiode

Les moleacutecules des huiles veacutegeacutetales ont tendance agrave ecirctre hydrolyseacutees en preacutesence deau dair ou

doxygegravene pour former de lacide Cependant pour des concentrations en eau infeacuterieures agrave 07

(7000 ppm) loxydation thermique et le clivage hydrolytique diminuent consideacuterablement

comme mentionneacute par Dana et al [238] Cela expliquerait le fait qursquoaucun changement

significatif de lrsquoindice daciditeacute de lrsquoHVJC nrsquoa eacuteteacute observeacute Pendant les tests une baisse de la

teneur en eau denviron 510 ppm agrave 220 ppm est observeacutee sur la Figure III-8 b ce mecircme si une

leacutegegravere augmentation est observeacutee agrave partir du 6iegraveme

cycle Les valeurs de lrsquoeacutevolution de lrsquoindice de

peroxyde preacutesenteacute sur laFigure III-8 c montrent que celles-ci augmentent avec le cyclage pour

les deux reacuteacteurs Une augmentation de lindice de peroxyde de lhuile indique la formation des

produits doxydation favorisant la deacutegradation de lhuile Les valeurs dindice de peroxyde de

lrsquoHVJC cycleacutee dans le reacuteacteur en acier inoxydable 316L et en acier galvaniseacute augmentent

respectivement de 22 agrave 38 mEqO2middotkg-1

et de 11 agrave 43 mEqO2middotkg-1

De plus les faibles teneurs en

eau (lt005) enregistreacutees dans les deux reacuteacteurs apregraves analyses seraient agrave lrsquoorigine de la

quantiteacute importante de composeacutes peroxydeacutes La Figure III-8 d preacutesente les valeurs dindice diode

pendant les tests dans les deux reacuteacteurs Tel que mesureacute la quantiteacute dacides gras insatureacutes dans

un reacuteacteur en acier inoxydable 316L reste constante agrave environ 100 g I2 g-1

Cependant lindice

diode pour reacuteacteur en acier galvaniseacute a tendance agrave diminuer au cours du temps de chauffage en

particulier apregraves le troisiegraveme cycle Ce comportement indique que les chaines insatureacutees dacides

gras (C18 2 et C18 3) preacutesents dans les triglyceacuterides sont principalement responsables de la

0

10

20

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Acid

iteacute (

mg

KO

Hmiddotg

-1)

Nombre de cycle

Acier galvaniseacute

Acier inoxydable 316L

(a)

0

200

400

600

800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r en

ea

u (

pp

m)

Nombre de cycle



(b)

0

15

30

45

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice d

e p

eacuterox

yd

e (

mE

q0

2k

g)

Nombre de cycle



(c)

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice

di

od

e (g

de

I2)

Nombre de cyccle


Acier inoxydable 316L(d)

Chapitre III 95

reacuteaction de polymeacuterisation des triglyceacuterides mentionneacutee ci-dessus ce qui provoque une

augmentation de la viscositeacute du liquide [220] et de la masse volumique

223 Eacutevolution de la teneur en meacutetaux

Loxydation des acides gras insatureacutes dans lhuile se produit dans un premier temps par

voie autocatalytique qui une fois amorceacutee peut ecirctre acceacuteleacutereacutee par la preacutesence de meacutetaux Pour

eacutevaluer leffet catalytique du reacuteacteur sur les proprieacuteteacutes de lrsquoHVJC lrsquoeacutevolution de la teneur en

fer en zinc et en plomb contenu dans lrsquoHVJC ont eacuteteacute suivies La Figure III-9 illustre lrsquoeacutevolution

des meacutetaux contenus dans lrsquoHVJC au cours du cyclage dans les reacuteacteurs en acier inoxydable

316L et en acier galvaniseacute

Figure III-9 Eacutevolution de la teneur en meacutetaux de lrsquoHVJC durant les tests dynamiques dans un

reacuteacteur en acier galvaniseacute et en acier inoxydable de type 316L (a) Fer (b) Plomb et zinc

Comme on peut le voir sur la Figure III-9 la teneur en fer de lrsquoHVJC dans le reacuteacteur en acier

galvaniseacute augmente consideacuterablement de 333 agrave 6359 ppm (Figure III-9 a) Il en est de mecircme

pour la teneur en zinc qui augmente de 0 agrave 64 ppm (Figure III-9 b) Une augmentation de la

teneur en fer donne agrave penser que la couche de revecirctement de zinc dans un reacuteacteur en acier

galvaniseacute a commenceacute agrave se deacutegrader par corrosion lors des tests en raison du niveau eacuteleveacute

daciditeacute de lhuile En effet en raison de la forte concentration dacides gras libres de lrsquoHVJC

les mateacuteriaux environnants comme les conduites et les reacuteservoirs de stockage peuvent ecirctre

corrodeacutes conduisant agrave un transfert de particules solides comme des meacutetaux de zinc de plomb ou

de fer dans lrsquoHVJC Il est donc probable que ce sont ses particules de meacutetaux qui provoquent

lrsquoaugmentation de la teneur en fer zinc et plomb Cependant la teneur en fer et en zinc de

lrsquoHVJC dans un reacuteacteur en acier inoxydable 316L reste faible et pratiquement stable pendant les

sept premiers cyclages thermiques Une leacutegegravere augmentation agrave la fin du cyclage srsquoobserve sur la

teneur en zinc et en fer Cette tendance reste tout de mecircme tregraves faible La deacutegradation plus

prononceacutee des proprieacuteteacutes physiques et chimiques de lrsquohuile testeacutee dans le reacuteacteur en acier

galvaniseacute serait donc causeacutee par lrsquoaction acceacuteleacuteratrice des meacutetaux dissous dans lrsquohuile

Cela indique que lrsquoacier inoxydable de type 316L est plus approprieacute pour lapplication preacutevue

notamment pour les conduites et les reacuteservoirs au regard de sa stabiliteacute En effet la teneur en fer

0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r e

n F

er (

pp

m)

Nombre de cycle

Fe_Acier inoxydable 316L

Fe_Acier galvaniseacute

(a)

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r e

n z

inc e

t p

lom

b (

pp

m)

Nombre de cycle

Pb_Acier inoxydable 316LPb_Acier galvaniseacuteZn_Acier inoxydable 316LZn_Acier galvaniseacute

(b)

Chapitre III 96

finale de lrsquohuile testeacutee dans le reacuteacteur en acier inoxydable 316L est tregraves faible (37 ppm) par

rapport agrave celle obtenue pour les essais dans le reacuteacteur galvaniseacute (6359 ppm) Comme il a eacuteteacute

observeacute dans la section 222 de ce chapitre la teneur en peroxyde de lrsquoHVJC augmente plus

rapidement dans le reacuteacteur en acier galvaniseacute que dans le reacuteacteur en acier inoxydable 316L

Cette tendance a eacutegalement eacuteteacute observeacutee dans une eacutetude preacuteceacutedente effectueacutee sur lrsquoeffet de la

concentration de diffeacuterents meacutetaux sur la stabiliteacute des huiles biodeacutegradables [114]

224 Conclusion sur les tests dynamiques

De faccedilon geacuteneacuterale on remarque que pendant le chauffage lrsquoobservation de lrsquoeacutevolution de

lrsquoindice drsquoiode de lrsquoHVJC indique une relative stabiliteacute Mais cette relative stabiliteacute de lrsquoindice

drsquoiode ne saurait toutefois signifier une absence de deacutegradation de lrsquoHVJC pendant le chauffage

Lrsquoobservation de la variation de lrsquoindice de peroxyde au cours du chauffage permet de tirer une

conclusion sur le comportement des huiles au chauffage En effet il augmente progressivement

de 11 mEqO2middotkg-1

pour se stabiliser vers la fin des tests au 8iegraveme

cycle vers 40 mEqO2middotkg-1

Cette

augmentation tout au long du chauffage est le reacutesultat de lrsquoactivation oxydative due au traitement

thermique Les reacutesultats des tests dans le reacuteacteur en acier inoxydable 316L montrent que ce

mateacuteriau est plus compatible que lrsquoacier galvaniseacute Cela est la conseacutequence de la faible

concentration en teneur en meacutetaux comme le fer Par ailleurs le chauffage de lrsquohuile conduit

eacutegalement agrave lrsquohydrolyse des triglyceacuterides Par conseacutequent le fait que lrsquoindice drsquoacide reste

relativement constant au cours du chauffage peut aussi signifier que leur hydrolyse nrsquoest pas

suffisante pour compenser voire augmenter les fonctions acides bloqueacutees par polymeacuterisation ou

volatiliseacutees

En outre nous avons eacutegalement observeacute que la couleur des eacutechantillons dhuile a fonceacute

Ceci est probablement ducirc agrave loxydation ou agrave la deacutecomposition des pigments [104] La noirceur de

lrsquohuile est plus prononceacutee dans le cas de leacutechantillon vieilli dans le reacuteacteur en acier galvaniseacute

que ceux testeacutes dans le reacuteacteur en acier inoxydable 316L Ainsi sur la base des reacutesultats

preacuteceacutedents le reacuteacteur en acier inoxydable 316L a eacuteteacute choisi pour les tests statiques et pseudo-

statiques en raison de sa meilleure compatibiliteacute avec lrsquohuile

23 Tests pseudo statique de stabiliteacute thermique de lrsquoHVJC


La Figure III-10 montre lrsquoeacutevolution des proprieacuteteacutes physiques de lrsquoHVJC lors des tests

pseudo-statiques Sur la Figure III-10 a est preacutesenteacutee leacutevolution de la viscositeacute cineacutematique agrave

40 degC de lrsquoHVJC au cours des cycles dans un reacuteacteur en acier inoxydable 316L

Chapitre III 97

Figure III-10 Eacutevolution des proprieacuteteacutes physiques de lrsquoHVJC pendant les tests pseudo-statiques

dans le reacuteacteur en acier inoxydable 316L (a) Viscositeacute cineacutematique (b) point flash (c) densiteacute

Leacutevolution de la viscositeacute lors des tests pseudo-statiques de 8 h montre une augmentation de

celle-ci de 37 agrave 53 mmsup2middots-1

Ces reacutesultats suggegraverent que la polymeacuterisation oxydante est

consideacuterablement reacuteduite par rapport agrave celle observeacutee dans les essais dynamiques Leacutevolution du

point eacuteclair est eacutegalement illustreacutee sur la Figure III-10 b Une baisse du point eacuteclair est observeacutee

lors des tests pseudo-statiques (8 h) mais reste cependant au-dessus des points eacuteclair de

Therminol VP-1 et Syltherm XLT (respectivement 124 et 47 degC) apregraves les 10 cycles Par

conseacutequent le risque dincendie lieacute agrave lrsquoutilisation de lrsquoHVJC est reacuteduit par rapport aux huiles

syntheacutetiques couramment utiliseacutees dans les centrales CSP La densiteacute (Figure III-10 c) de lrsquohuile

augmente progressivement durant le cyclage pour atteindre un taux moyen de 1 agrave la fin des dix

cycles Cependant cette augmentation est moins significative que celle des tests dynamiques

dans le reacuteacteur en acier inoxydable et encore moins que celle avec le reacuteacteur en acier galvaniseacute


Le suivi des proprieacuteteacutes chimiques de HVJC pendant les tests pseudo-statiques est preacutesenteacute

dans la Figure III-11

0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vis

co

siteacute

cin

eacutem

ati

qu

e

40 C

(mm

sup2middots-

1)

Nombre de cycle

(a)

100

140

180

220

260

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Po

int

eacutecla

ir ( C

)

Nombre de cycle

(b)

850

890

930

970

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Mass

e v

olu

miq

ue (

kgm

sup3)

Nombre de cycle

(c)

Chapitre III 98


pseudo statiques dans un reacuteacteur en acier inoxydable de type 316L (a) Aciditeacute totale (b) Teneur en

eau (c) Indice de peroxyde (d) Indice drsquoiode

On observe agrave travers la Figure III-11 a que lrsquoHVJC preacutesente une aciditeacute relativement stable

Lrsquoaciditeacute de lrsquoHVJC est drsquoenviron 15 mgmiddotKOHmiddotg-1

La teneur en eau preacutesenteacutee sur la Figure

III-11 b diminue de 508 agrave 200 ppm environ indiquant le deacutepart de lrsquoeau par vaporisation La

valeur finale apregraves les 10 cycles reste infeacuterieure au minimum requis pour amorcer la reacuteaction

drsquohydrolyse Cependant une augmentation de lrsquoindice de peroxyde est observeacutee dans la Figure

III-11 c Elle indique une reacuteaction doxydation se produisant au cours des cycles Il apparait donc

que pour chaque ouverture du reacuteacteur le contact de lhuile avec lair est induit des effets

significatifs Une relative stabiliteacute de la valeur de liode agrave environ 105 gmiddotI2 (Figure III-11 d) est

eacutegalement observeacutee Au-delagrave des diffeacuterentes variations le taux de deacutegradation des proprieacuteteacutes

chimiques de lrsquoHVJC durant les tests pseudo statiques restent faibles par rapport agrave ceux des tests

dynamiques avec le reacuteacteur en acier galvaniseacute et celui en acier inoxydable (Figure III-8) En

effet aucun changement particulier dans les proprieacuteteacutes chimiques nrsquoa eacuteteacute observeacute Toutefois

lameacutelioration de la stabiliteacute chimique de lrsquoHVJC utiliseacutee dans un reacuteacteur en acier inoxydable

316L peut se faire lorsque peu ou pas de contacts avec lair nrsquoest possible Ceci implique qursquoil

faut lrsquoutiliser dans un environnement inerte


0

10

20

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Acid

iteacute (

mg

KO

Hmiddotg

-1)

Nombre de cycle

(a)

0

200

400

600

800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r en

ea

u (

pp

m)

Nombre de cycle

(b)

0

15

30

45

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice d

e p

eacutero

xy

de (

mE

q0

2k

g)

Nombre de cycle

(c)

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice

di

od

e (

g d

e I2

)

Nombre de cycle

(d)

Chapitre III 99

La Figure III-12 preacutesente leacutevolution de la teneur en fer de lrsquoHVJC pendant les tests

pseudo-statiques dans un reacuteacteur en acier inoxydable 316L

Figure III-12 Eacutevolution de la teneur en meacutetaux de lrsquoHVJC durant les tests pseudo statiques (a)

Teneur en fer (b) Teneur en plomb et en zinc

Une faible augmentation de la teneur en fer de 309 agrave 406 ppm reacutesultant drsquoune faible reacuteaction de

corrosion est observeacutee dans le reacuteacteur en acier inoxydable 316L apregraves les tests Leffet

catalytique du fer est fortement inhibeacute par lrsquoutilisation drsquoun mateacuteriau stable comme lacier

inoxydable 316L En effet le taux drsquoaugmentation est faible compareacute agrave celui des tests

dynamiques avec reacuteacteur en acier galvaniseacute (Figure III-9 a) Par ailleurs aucune variation

consideacuterable de zinc ni de plomb nrsquoa eacuteteacute observeacutee apregraves le cyclage Cette stabiliteacute observable sur

la Figure III-12 b se situe autour de 08 ppm et 005 ppm respectivement pour le plomb et le

zinc Ainsi la reacuteaction des acides gras insatureacutes de lhuile observeacutee preacuteceacutedemment avec le

reacuteacteur en acier galvaniseacute nrsquoa pas pu se mettre en place ce mecircme si les conditions tests ne sont

pas identiques Ces reacutesultats laissent penser que les mateacuteriaux comme lrsquoacier inoxydable 316L

sont compatibles avec lrsquoHVJC

234 Conclusion sur les tests pseudo-statiques

En reacutesumeacute les tests pseudo-statiques montrent que lrsquoindice drsquoacide reste relativement

constant lors des tests La baisse de la teneur en eau indique qursquoil y aeacutevaporation de lrsquoeau dans

lrsquoeacutechantillon Cependant cette diminution nrsquoest pas suffisante pour provoquer lrsquohydrolyse de

lrsquohuile Drsquoautres parts lrsquoindice de peroxyde de lrsquohuile chute et se tasse vers une valeur

relativement constante Ceci est anormal car cet indice devrait en principe augmenter tout au

long du chauffage en raison de lrsquooxydation Par ailleurs la viscositeacute et la densiteacute de lrsquohuile

augmentent pendant les tests Cela peut justifier cette contradiction Toutefois il est probable

que ces deux pheacutenomegravenes (augmentation des peroxydes et baisse de lrsquoindice drsquoiode) se

compensent permettant ainsi agrave lrsquoacide de rester stable Ces reacutesultats permettent de formuler

lrsquohypothegravese selon laquelle des dureacutees de chauffages plus longues sont moins dommageables pour

lrsquohuile Ainsi des tests suppleacutementaires de lrsquoHVJC pendant des dureacutees plus longues devraient

permettre de preacuteciser le cadre de son utilisation

0

2

4

6

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r e

n F

er (

pp

m)

Nombre de cycle

(a)

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10T

en

eu

r en

Plo

mb

et

zin

c (

pp

m)

Nombre de cycle

Pb Zn(b)

Chapitre III 100

24 Tests statiques de stabiliteacute thermique de lrsquoHVJC

Dans cette partie lrsquoeffet drsquoun chauffage continu agrave 210 degC au four eacutelectrique sur la

deacutegradation de lrsquoHVJC est eacutetudieacute Lrsquohuile a eacuteteacute maintenue pendant 500 h agrave cette tempeacuterature

dans un reacuteacteur en acier inoxydable de type 316L Le Tableau III-1 preacutesente les valeurs des

diffeacuterentes proprieacuteteacutes de lrsquoHVJC mesureacutees avant et apregraves les tests statiques de 500 h

Tableau III-1 Proprieacuteteacutes physiques chimiques et teneur en meacutetaux de lrsquoHVJC avant et apregraves

les tests statiques dans un reacuteacteur en acier inoxydable de type 316L

Proprieacuteteacutes Avant Apregraves 500 h

Viscositeacute cineacutematique 40 degC (mmsup2middots-1

) 36 39


) 7 8

Point eacuteclair (degC) 235 235

Densiteacute 9073 9224

Aciditeacute totale (mgmiddotKOHmiddotg-1

) 171 182

Indice drsquoiode (I2middotg-1

) 107 107

Indice de peroxyde (mEqO2middotkg-1

) 11 16

Teneur en eau (ppm) 508 273

Teneur en fer (ppm) 307 364

Comme on peut le voir dans le Tableau III-1 la viscositeacute augmente avec le temps de chauffage

Apregraves 500 h de chauffage la valeur de la viscositeacute cineacutematique est infeacuterieure agrave 39 mmsup2middots-1

agrave celle

obtenue apregraves plus de 115 h de chauffage discontinu (c a d dix cycles pseudo statiques) est de

lrsquoordre de 52 mmsup2middots-1

Ces reacutesultats reacutevegravelent que lrsquoeffet de la preacutesence drsquoair et donc drsquooxygegravene

est consideacuterable sur la stabiliteacute de lrsquohuile En effet le fait de ne pas ouvrir le reacuteacteur comme cela

eacutetait le cas pour les tests dynamiques et pseudo statiques reacuteduit la quantiteacute drsquooxygegravene car il ny a

pas de renouvellement dair significatif dans le reacuteacteur Par conseacutequent lrsquoabsence de

renouvellement limite lrsquoinitiation des pheacutenomegravenes drsquooxydation qui est tregraves souvent responsable

de lrsquoaugmentation de la viscositeacute De plus la vitesse drsquoabsorptions de lrsquoeacutenergie est plus

importante agrave cause du chauffage reacutepeacutetitif pendant le test pseudo-statique dans le bain thermostateacute

[239] Les valeurs du point eacuteclair de lrsquoindice drsquoaciditeacute et de lrsquoindice drsquoiode de lrsquoHVJC avant et

apregraves le chauffage agrave 210 degC sont pratiquement les mecircmes Cela met en exergue une stabiliteacute de

lrsquohuile agrave cette tempeacuterature La stabiliteacute de ces paramegravetres peut ecirctre attribueacutee au fait que drsquoune

part le chauffage favorise lrsquoeacutevaporation limitant du mecircme coup lrsquohydrolyse et drsquoautre part la

polymeacuterisation des acides gras qui prend place pendant le chauffage de lrsquohuile bloque certaines

fonctions acides drsquoougrave leur stabiliteacute Cependant une faible augmentation de lrsquoindice de peroxyde

a eacuteteacute observeacutee apregraves le test certainement agrave cause de lrsquoair atmospheacuterique initialement preacutesent dans

le reacuteacteur En outre une petite augmentation de la teneur en fer de 308 agrave 364 ppm implique

une faible corrosion du reacuteacteur en acier inoxydable Le zinc et le plomb nrsquoont dailleurs pas eacuteteacute

deacutetecteacutes dans lrsquoHVJC indiquant une meilleure stabiliteacute de lhuile en raison dune bonne

compatibiliteacute entre les deux mateacuteriaux

Sur cette base il peut ecirctre conclu que la preacutesence drsquooxygegravene dans un environnement agrave

haute tempeacuterature est un paramegravetre cleacute influenccedilant la stabiliteacute thermique de lrsquoHVJC Par

conseacutequent pour ecirctre plus preacutecises drsquoautres eacutetudes doivent ecirctre faites dans un environnement

Chapitre III 101

inerte drsquoazote par exemple avec un reacuteacteur en acier inoxydable de type 316L et sur leur impact

sur la deacutegradation

Chapitre III 102

3 Conclusion

Ce travail est lrsquoune des premiegraveres eacutetudes sur le potentiel de valorisation de lrsquoHVJC en vue

de son utilisation comme HTF et TESM dans les CSP ou pour dautres applications agrave haute

tempeacuterature Ainsi nous avons eacutetudieacute la deacutegradation (ou stabiliteacute) thermique de cette huile La

comparaison preacuteliminaire de la densiteacute de stockage deacutenergie du prix et du point eacuteclair indique

que lhuile veacutegeacutetale proposeacutee a un meilleur potentiel que les huiles couramment utiliseacutees

(Therminol VP-1 Xceltherm 600 et Syltherm XLT) Les diffeacuterents tests effectueacutes sur lrsquoHVJC

en particulier les tests statiques ont montreacute que lhuile est resteacutee relativement stable apregraves 500 h

La viscositeacute et le point eacuteclair mesureacute sont resteacutes pratiquement constants apregraves les tests de cyclage

thermique Ceci est eacutegalement le cas de lrsquoaciditeacute totale Cependant lors des tests dynamiques le

point eacuteclair baisse continuellement de 235 degC agrave 185 degC au bout de 10 cycles mais reste toujours

au-dessus du point eacuteclair de Therminol VP-1 et de Syltherm XLT Leacutevolution de la composition

chimique de lrsquoHVJC en particulier la preacutesence deacuteleacutements tels que le fer et le zinc laisse penser

que le reacuteservoir en acier inoxydable 316L est plus adapteacute et compatible avec lrsquoHVJC que lacier

galvaniseacute

Un fluide pertinent utiliseacute comme TESM et HTF devrait ecirctre peu coucircteux non toxique

avoir des proprieacuteteacutes thermophysiques approprieacutees et une dureacutee de vie de fonctionnement eacuteleveacutee

Les reacutesultats obtenus indiquent que pour une application agrave haute tempeacuterature telle que les petites

centrales CSP pour lesquels lrsquoordre de grandeur des tempeacuteratures de travail se situe autour de

210 degC lrsquoHVJC reacutepond agrave la plupart de ces exigences Cependant il y a encore quelques

contraintes agrave lever avant sa mise en œuvre agrave grande eacutechelle notamment en raison de son aciditeacute

eacuteleveacutee Neacuteanmoins si des mesures particuliegraveres sont prises au cours du processus de production

et de stockage de lrsquoHVJC la valeur initiale de laciditeacute de lhuile devrait ecirctre consideacuterablement

reacuteduite Une autre faccedilon dameacuteliorer son utilisation est de lutiliser sous environnement azoteacute et

limiter ainsi certaines reacuteactions de deacutegradation Lintroduction dazote dans le systegraveme de

stockage combineacute avec lutilisation de mateacuteriaux en acier inoxydable de type 316L pour le

reacuteservoir et les tuyaux de transport ameacuteliorerait sa stabiliteacute et augmenterait la dureacutee de vie de

lhuile

La substitution partielle ou totale des huiles syntheacutetiques par des mateacuteriaux locaux agrave faible

coucirct peut contribuer agrave reacuteduire le coucirct du systegraveme de stockage et par conseacutequent le coucirct de

production de lrsquoeacutelectriciteacute Avec un bon bilan environnemental lrsquoHVJC constitue donc une

alternative locale prometteuse et un HTF et TESM innovant pour les mini CSP comme le pilote

CSP4AFRICA Par ailleurs on peut envisager drsquoautres utilisations comme le seacutechage de produits

ou le preacutechauffage de fluide dans les proceacutedeacutes industriels La disponibiliteacute et les coucircts sont deux

des principales exigences quun fluide doit satisfaire Lhuile veacutegeacutetale de jatropha est maintenant

dans une phase de deacuteveloppement en Afrique de lrsquoOuest Ainsi le faible coucirct de production et la

disponibiliteacute sont les atouts majeurs de cette huile En outre lrsquoHVJC peut eacutegalement ecirctre utiliseacutee

dans drsquoautres applications que dans les CSP par exemple pour le seacutechage ou le preacutechauffage

dans des proceacutedeacutes industriels ou semi-industriels Elle peut eacutegalement ecirctre utiliseacutee pour la

reacutefrigeacuteration par sorption ougrave les niveaux de tempeacuterature sont compris entre 100 et 200 degC

En plus des travaux preacutesenteacutes dans cette thegravese des recherches sont en cours afin drsquoeacutetudier

lrsquoeffet de lincorporation de nanoparticules dans lrsquoHVJC sur sa capaciteacute calorifique sa

Chapitre III 103

conductiviteacute thermique et sa stabiliteacute thermique agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Par ailleurs des

tests sur des peacuteriodes plus longues en conditions reacuteelles dans le pilote CSP4AFRICA sont

eacutegalement preacutevus Drsquoautres travaux ont deacutemontreacute que laddition dantioxydants augmente

significativement la peacuteriode dinduction lors du processus drsquooxydation augmentant de ce fait sa

reacutesistance agrave lrsquooxydation Cette approche serait drsquoautant plus inteacuteressante qursquoelle pourrait ecirctre

mise en œuvre en utilisant des antioxydants naturels ce qui permettrait de conserver le caractegravere

biodeacutegradable de lrsquohuile

Chapitre IV 104

Chapitre IV Eacutelaboration de mateacuteriaux

de stockage agrave partir des cendres de foyer

de la lateacuterite et de la chaux eacuteteinte

Chapitre IV 105

Introduction

Dans le Chapitre 3 le potentiel de lrsquohuile de Jatropha curas a eacuteteacute expeacuterimentalement eacutetudieacute

comme alternatif aux mateacuteriaux conventionnels Le systegraveme agrave deux reacuteservoirs requiert une

quantiteacute de mateacuteriau de stockage qursquoon pourrait reacuteduire de faccedilon significative gracircce agrave une

approche deacutejagrave testeacutee depuis les anneacutees 80 en combinant le reacuteservoir du fluide chaud et celui du

fluide froid en un seul reacuteservoir appeleacute thermocline Par ailleurs des mateacuteriaux solides peuvent

ecirctre placeacutes comme mateacuteriau de remplissage dans le reacuteservoir pour remplacer jusquagrave 80 des

fluides plus coucircteux tels que les sels ou les huiles Le principal obstacle de ce type de systegraveme est

le mateacuteriau de garnissage pour lequel des mateacuteriaux naturels et recycleacutes peuvent offrir une

approche reacutealiste et strateacutegique (disponible pas de conflit dutilisation aucun impact neacutegatif sur

lenvironnement et un bon impact social)

Lrsquoobjectif du preacutesent chapitre est drsquoeacutetudier la possibiliteacute de produire des TESM agrave partir des

certaines ressources locales preacuteceacutedemment identifieacutees dans le Chapitre 2 En effet il est question

drsquoeacutevaluer lrsquoinfluence du traitement thermique sur les matiegraveres uniques en particulier les lateacuterites

et les cendres de foyer Plusieurs traitements thermiques sont donc effectueacutes afin drsquoidentifier les

diffeacuterents mateacuteriaux formeacutes et leur inteacuterecirct pour les CSP Par la suite diffeacuterents meacutelanges de

chaux avec des cendres de volantes ou de lateacuterite sont ensuite preacutepareacutes et syntheacutetiseacutes par proceacutedeacute

de traitement thermique hybride Un accent est porteacute sur la valorisation de la ressource solaire

concentreacutee pour lrsquoeacutelaboration des mateacuteriaux Les changements de composition de morphologie

et de structure sont examineacutes par la diffraction des rayons X (XRD) et la microscopie

eacutelectronique agrave balayage (SEM) associeacutee agrave la spectroscopie agrave dispersion deacutenergie (EDS) Le

comportement thermique est eacutegalement eacutetudieacute en utilisant la thermogravimeacutetrique (TG) et

lrsquoanalyse diffeacuterentielle calorimeacutetrique (DSC) Enfin les tempeacuteratures caracteacuteristiques des

diffeacuterents TESM eacutelaboreacutes sont proposeacutees et leurs potentiels pour les CSP en rapport avec les

fluides de transfert de chaleur sont discuteacutes

Chapitre IV 106

1 Eacutelaboration des ceacuteramiques

Les ceacuteramiques sont des mateacuteriaux cristallins geacuteneacuteralement produits agrave partir des proceacutedeacutes

de traitement thermique de cristallisation agrave haute tempeacuterature Plusieurs meacutethodes sont utiliseacutees

pour la production de ceacuteramiques agrave partir des deacutechets les principales comprennent la meacutethode

conventionnelle dite de nucleacuteation-croissance le frittage la voie par peacutetrurgique [216240241]

Ces meacutethodes ont largement eacuteteacute discuteacutees dans de preacuteceacutedentes thegraveses au laboratoire PROMES

[131516] Nous ne nous attarderons donc pas sur elles Cependant avant de preacutesenter en deacutetail

les reacutesultats obtenus un aperccedilu de ces diffeacuterents proceacutedeacutes geacuteneacuteralement utiliseacutes pour la

production de ceacuteramiques sera preacutesenteacute Cela dans le but de mettre en exergue leurs principaux

avantages et inconveacutenients par rapport aux meacutethodes usuelles drsquoeacutelaboration et proposer celle qui

convient le mieux agrave notre contexte

11 Eacutelaboration par deacutevitrification ou nucleacuteation-croissance

La meacutethode par nucleacuteation-croissance est celle habituellement utiliseacutee pour lrsquoeacutelaboration

des ceacuteramiques Elle consiste agrave deacutevitrifier (cristalliser) un verre preacutealablement formeacute par un

traitement thermique adeacutequat Les mateacuteriaux sont traiteacutes agrave environ 1500 degC soit par une torche agrave

plasma ou par un chauffage par effet joule pour ecirctre transformeacutes par la suite en vitrifiat [240] Un

traitement thermique compleacutementaire permet de transformer le mateacuteriau amorphe en une

structure cristalline La formation de la phase cristalline dans du verre se fait agrave partir de germes

de cristallisation aussi appeleacutes nucleis Dans la plupart des cas la courbe de nucleacuteation et celle

de croissance des grains ne se superposent pas en tempeacuterature (Figure IV-1) En effet du point

de vue de la thermodynamique la croissance de grains se fait toujours agrave plus haute tempeacuterature

que la nucleacuteation

Figure IV-1 Proceacutedeacute de nucleacuteation-croissance sans superposition (a) Deacutependance en

tempeacuterature des taux de nucleacuteation et de croissance (b) Traitement thermique de nucleacuteation-

croissance associeacute [242]

Par conseacutequent la nucleacuteation est la premiegravere eacutetape de la cristallisation dont le rocircle est de former

une grande densiteacute de germes au sein du mateacuteriau La tempeacuterature recommandeacutee de nucleacuteation

est deacutefinie en ajoutant 20 agrave 60 degC agrave la tempeacuterature de transition vitreuse La deuxiegraveme eacutetape est

la croissance des grains par traitement thermique agrave tempeacuterature plus eacuteleveacutee que la nucleacuteation La

tempeacuterature de cristallisation donneacutee par le dernier pic exothermique sans perte de masse

Chapitre IV 107

observable sur les TGDSC Il est donc important drsquoavoir une densiteacute importante de noyau afin

drsquoobtenir la microstructure deacutesireacutee Les tempeacuteratures de traitement utiliseacutees deacutependent de la

composition chimique du mateacuteriau Du fait de la fusion on va perdre en volume et stabiliser le

mateacuteriau Le mateacuteriau final est plus dense et compact

Cette meacutethode suppose que le verre a preacuteceacutedemment eacuteteacute obtenu drsquoun autre proceacutedeacute

(vitrification) Le verre parent peut ecirctre mis en forme durant la phase de vitrification par couleacutee

et moulage Cependant la production du verre ainsi que les traitements thermiques ulteacuterieurs

sont en geacuteneacuteral tregraves coucircteux en eacutenergie en raison des niveaux de tempeacuterature mis en jeux Cette

meacutethode est par conseacutequent largement utiliseacutee par les industries pour la production de

ceacuteramique car plus adapteacutee agrave la production de produits agrave haute valeur ajouteacutee

12 Eacutelaboration par frittage

Le frittage est un proceacutedeacute qui consiste geacuteneacuteralement en la cristallisation apregraves le

compactage agrave froidchaud drsquoune poudre de verre ou de cristalline agrave des tempeacuteratures infeacuterieures

au point de fusion du meacutelange Le traitement thermique de cristallisation permet drsquoobtenir la

microstructure requise par le processus de coheacutesion des grains Puisque le frittage se fait en

dessous de la tempeacuterature de fusion ce mode drsquoeacutelaboration est moins eacutenergivore que le

preacuteceacutedent Cependant il existe des limites quant agrave la taille et la forme des composants qui

peuvent ecirctre compacteacutes Ainsi en raison du coucirct de production des poudres cette meacutethode est

utiliseacutee uniquement si elle confegravere un avantage certain Dans certains cas la densification et la

cristallisation peuvent avoir lieu en une seule eacutetape de traitement thermique Par ailleurs

certaines preacutecautions doivent ecirctre prises afin que les cineacutetiques des deux processus soient en

accord En effet si le traitement thermique se termine avant la fin de la densification le taux de

porositeacute inacceptable ne permettra pas la formation des phases cristallines souhaiteacutees

En plus de lavantage eacuteconomique de lutilisation de tempeacuteratures de traitement

relativement basses la voie de la technologie des poudres est approprieacutee pour la production dune

gamme de mateacuteriaux de pointe y compris des vitroceacuteramiques ayant des porositeacutes speacutecifieacutees et

des composites agrave matrice vitroceacuteramique

13 Eacutelaboration par la voie laquo peacutetrurgiqueraquo

Le proceacutedeacute de nucleacuteation-croissance neacutecessite deux eacutetapes car les courbes ne se

superposent pas (Figure IV-1) Cependant dans le cas ougrave le chevauchement est prononceacute (Figure

IV-2) il est possible de reacutealiser simultaneacutement la nucleacuteation et la croissance agrave une tempeacuterature

intermeacutediaire TNG crsquoest la meacutethode dite peacutetrurgique Sachant que le taux de nucleacuteation est

sensible agrave la composition chimique il est envisageable de le modifier par lrsquoajout drsquoagents

nucleacuteants de faccedilon agrave obtenir un chevauchement des deux courbes [242] Il est donc possible avec

un ajout de composants oxydeacutes purs comme le TiO2 ou le Fe2O3 de reacutealiser une croissance

cristalline en une seule eacutetape La meacutethode lsquolsquopetrurgiquersquorsquo est donc baseacutee sur le refroidissement

controcircleacute agrave partir de leacutetat fondu pour provoquer la nucleacuteation et la croissance de certaines phases

cristallines Dans cette meacutethode le refroidissement de matiegravere geacuteneacuteralement tregraves lent permet de

provoquer la formation des phases cristallines

Chapitre IV 108

Figure IV-2 Proceacutedeacute peacutetrurgique (a) Deacutependance en tempeacuterature des taux de nucleacuteation et de

croissance forte superposition (b) Traitement thermique avec palier de cristallisation [242]

Ainsi la microstructure finale du mateacuteriau et les proprieacuteteacutes deacutependent eacutegalement de la

composition et de la vitesse de refroidissement Cette meacutethode est plus eacuteconomique que la

meacutethode classique effectueacutee en deux eacutetapes

14 Choix de la meacutethode drsquoeacutelaboration

Des trois meacutethodes abordeacutees il semble que la meacutethode par la voie peacutetrurgique est la plus

adapteacutee lorsqursquoune mise en forme du mateacuteriau est envisageacutee Dans lrsquooptique drsquoeacutelaborer des

mateacuteriaux de stockage agrave bas coucirct agrave partir drsquoun proceacutedeacute simple pouvant ecirctre reproduit en Afrique

de lrsquoOuest sans trop de difficulteacutes nous avons choisi de travailler dans un premier temps selon

un mode opeacuteratoire proche de celui de la voie par nucleacuteation-croissance En utilisant lrsquoeacutenergie

solaire concentreacutee tout ou partie des besoins pour la vitrification peuvent ecirctre combleacutes En effet

elle permet de reacuteduire les quantiteacutes drsquoeacutenergie mise en jeu lors de la vitrification par substitution

du four eacutelectrique par un four solaire Cela repreacutesente un enjeu technologique majeur dans le cas

drsquoune production alternative agrave partir de deacutechets Toutefois malgreacute le fait que les travaux sont

effectueacutes agrave lrsquoeacutechelle du laboratoire une attention est porteacutee agrave la possibiliteacute drsquoapplication de ce

type de meacutethode agrave une eacutechelle plus large Dans ce sens la meacutethode peacutetrurgique sera utiliseacutee

Cela afin de produire des eacutechantillons de tailles plus importantes Cette meacutethode permet

eacutegalement de reacuteduire la quantiteacute drsquoeacutenergie mise en jeu et la dureacutee drsquoeacutelaboration Cependant les

mateacuteriaux doivent preacutealablement ecirctre eacutecraseacutes afin de faciliter la fusion ce qui engendre un coucirct

suppleacutementaire Ainsi compte tenu du fait que les cendres de foyer sont formeacutees drsquoamas de

poudre friables drsquoune part Drsquoautre part les deacutechets de BIG sont quant agrave eux sous forme de

poudre tregraves fine pouvant directement ecirctre utiliseacutee Par conseacutequent ce type de traitement au

regard de la forme la composition chimique et mineacuteralogique de ces mateacuteriaux est propice pour

une mise en forme future des mateacuteriaux eacutelaboreacutes

Pour toutes ces approches le refroidissement occupe une place de choix pour la formation

des phases cristallines Gautier et al [243] ont eacutetudieacute lrsquoinfluence de la vitesse de refroidissement

pendant le recuit en fonction du type et de la taille des phases pour diffeacuterents types de deacutechets

industriels dont certains ont de fortes teneurs en fer [243] La Figure IV-3 preacutesente les images

MEB en contraste chimique des eacutechantillons de laitier traiteacutes agrave diffeacuterentes vitesses Cette eacutetude a

montreacute que pour des vitesses de refroidissement faibles de lrsquoordre de 1 degCmiddotmin-1

(laquo

Chapitre IV 109

refroidissement industriel raquo) le mateacuteriau est entiegraverement cristalliseacute avec des cristaux de taille

modeacutereacutee (50 agrave 150 microm) On y observe eacutegalement une augmentation de la taille des grains avec la

diminution de la vitesse de traitement La composition chimique des lateacuterites nous a permis de

voir que le mateacuteriau a une forte teneur en fer comme crsquoest le cas pour les laitiers Par conseacutequent

on peut imaginer que des traitements thermiques de cristallisation effectueacutes sur des laitiers

peuvent eacutegalement srsquoappliquer aux lateacuterites

Figure IV-3 Influence de la vitesse de refroidissement sur la microstructure dun laitier

Drsquoautres eacutetudes plus reacutecentes faites au PROMES sur la valorisation des deacutechets (amiante

cendres de foyer et laitiers) ont permis de montrer qursquoune vitesse de refroidissement infeacuterieur agrave

2 degCmiddotmin-1

serait adeacutequate pour former les phases cristallines [131516] Par le biais de cette

approche lrsquoaugite et la wollastonite ont eacuteteacute obtenues dans le cas du traitement thermique de

lrsquoamiante Les mateacuteriaux issus de ce proceacutedeacute de traitement ont montreacute des caracteacuteristiques

inteacuteressantes comme mateacuteriau agrave chaleur sensible dans les systegravemes de stockage [244] Ces

mateacuteriaux ont des proprieacuteteacutes thermo-physiques dans la mecircme gamme que dautres mateacuteriaux

disponibles tels que le beacuteton et les ceacuteramiques HT mais avec un coucirct geacuteneacuteralement infeacuterieur agrave

celui des ceacuteramiques industrielles et sans conflit dusage avec les autres filiegraveres connexes [245]

Les diffeacuterents mateacuteriels et protocoles que nous utiliserons dans cette thegravese seront preacutesenteacutes en

deacutetail dans les parties suivantes et seront deacuteveloppeacutes en fonction des mateacuteriaux utiliseacutes

2 Eacutelaboration de mateacuteriaux agrave partir de matiegravere premiegravere

unique Lateacuterite et Cendres de foyers

21 Eacutelaboration de mateacuteriaux agrave partir de lateacuterite

Les lateacuterites ont eacuteteacute traiteacutees thermiquement selon deux proceacutedeacutes en fonction des reacuteactions

observeacutees sur les lateacuterites pendant les analyses TGDSC Les pheacutenomegravenes observeacutes lors des

analyses preacuteliminaires sont ainsi mis en avant Le premier est deacutevolu au traitement en dessous de

la tempeacuterature de fusion Dans le deuxiegraveme proceacutedeacute nous effectuons une fusion des poudres de

lateacuterite afin drsquoeacutelaborer des ceacuteramiques reacutefractaires Les deacutetails des protocoles expeacuterimentaux qui

en deacutecoulent et les reacutesultats obtenus sont preacutesenteacutes dans les parties qui vont suivre

Refroidissement rapide Refroidissement industriel Refroidissement lent

Structure heacuteteacuterogegravene

Petits dendrite (3-10 microm)

Larges dendrites (20-80 microm)


Large dendrites (50-150 microm)



Chapitre IV 110

211 Eacutelaboration par traitement thermique de recuit des blocs de lateacuterite

Comme nous lrsquoavons montreacute dans le Chapitre 2 les lateacuterites sont preacuteleveacutees sous forme de

blocs de taille proche de celle des parpaings (environ 30 cmtimes15 cmtimes10 cm) en raison de leur

utilisation actuelle dans la construction La possibiliteacute de deacutecouper des formes deacutefinies en

fonction des diffeacuterents substrats nous laisse envisager la possibiliteacute drsquoavoir des modules qui

peuvent directement ecirctre utiliseacutes dans les systegravemes de stockage Sous lrsquoeffet des chocs

thermiques et de la tempeacuterature certaines roches se fragmentent limitant leurs applications dans

les CSP Par ailleurs la variation de la porositeacute des blocs de lateacuterite qui diminue avec la

profondeur est eacutegalement un facteur limitatif Les traitements thermiques comme ceux effectueacutes

sur des silex peuvent permettre drsquoameacuteliorer cette stabiliteacute [246] La DRX et le MEB ont permis

de mettre en eacutevidence lrsquoinfluence des transformations induites par la chauffe sur la cristallisation

[247] Les modifications des proprieacuteteacutes meacutecaniques observeacutees reacutesultent de la formation de

nouvelles liaisons Pendant le traitement thermique de la lateacuterite les changements observeacutes entre

200 degC et 1200 degC peuvent permettre de mettre au point un preacutetraitement thermique de la roche

susceptible dameacuteliorer ses proprieacuteteacutes pour le stockage notamment la tenue meacutecanique aux chocs

thermiques ainsi que ses proprieacuteteacutes thermo-physiques

2111 Protocole expeacuterimental

Les reacutesultats des analyses thermiques (DSCTG) preacutesenteacutees dans le Chapitre 2 ont montreacute

que les principales reacuteactions des lateacuterites de Dano srsquoobservent entre 105 et 150 degC entre 300 degC

et 350 degC 500 et 550 degC 900 et 950 degC et entre 1100 et 1200 degC Les lateacuterites de Dano ont par

conseacutequent eacuteteacute traiteacutees agrave 400 600 800 1000 et 1200 degC afin de mettre en exergue les diffeacuterentes

reacuteactions observeacutees et les potentielles applications pour les mateacuteriaux formeacutes Ces tempeacuteratures

sont choisies leacutegegraverement supeacuterieures aux plages des diffeacuterentes reacuteactions observeacutees de faccedilon agrave

permettre aux transformations drsquoavoir le lieu Les vitesses de chauffe ont eacuteteacute choisies de faccedilon agrave

faciliter lrsquoeacutevacuation de lrsquoeau libre et ainsi limiter drsquoeacuteventuelles fissurations

Avant de commencer le traitement des essais agrave vide sont effectueacutes afin de deacutefinir avec plus

de preacutecision les diffeacuterentes tempeacuteratures de consignes Dans ce sens le four a eacuteteacute calibreacute afin

drsquoidentifier la diffeacuterence entre la tempeacuterature de consigne et la tempeacuterature reacuteelle De faccedilon

globale la tempeacuterature agrave lrsquointeacuterieur du four est infeacuterieure de 10 agrave 20 degC agrave celle de la consigne

Cela est ducirc au fait que la sonde de mesure de la tempeacuterature du four est placeacutee agrave quelques

centimegravetres de la partie supeacuterieure du four et ne permet donc pas drsquoavoir une valeur preacutecise de la

tempeacuterature de lrsquoeacutechantillon Les diffeacuterentes tempeacuteratures qui seront donneacutees dans la suite sont

celles des eacutechantillons dans le four apregraves correction de la consigne

Le traitement thermique proprement dit quant agrave lui se fait en trois grandes eacutetapes suivant le

protocole comme deacutecrit sur la Figure IV-4 La premiegravere partie du traitement consiste agrave eacutevaporer

de lrsquoeau par chauffage de la tempeacuterature ambiante agrave 120 degC en 2 h avec un palier de 2 heures agrave

cette tempeacuterature La deuxiegraveme eacutetape a pour objectif drsquoamener le mateacuteriau de 120 degC agrave la

tempeacuterature de traitement souhaiteacutee (400 600 800 1000 ou 1200 degC) Cette eacutetape se fait agrave la

vitesse de 5degCmiddotmin-1

de faccedilon agrave eacuteviter ou tout au moins limiter les fractures internes Une fois le

palier atteint on maintient cette tempeacuterature pendant 5 h de faccedilon agrave srsquoassurer que toutes les

transformations ayant lieu avant la tempeacuterature de traitement aient eu le temps de se produire Le

Chapitre IV 111

mateacuteriau est ensuite refroidi de la tempeacuterature de traitement agrave la tempeacuterature ambiante agrave la

vitesse de 25 degCmiddotmin-1

Figure IV-4 Proceacutedure de traitement thermique des lateacuterites brutes au four eacutelectrique

Les techniques drsquoinvestigation drsquoimagerie et structurales sont ensuite utiliseacutees sur les mateacuteriaux

eacutelaboreacutes pour eacutetudier les transformations induites par les traitements thermiques sur les blocs de

lateacuterite des diffeacuterentes couches

2112 Analyse des eacutechantillons apregraves traitement

Les diffeacuterents eacutechantillons des quatre strates ont eacuteteacute preacuteleveacutes deacutecoupeacutes et traiteacutes

thermiquement aux diffeacuterentes tempeacuteratures identifieacutees La forte porositeacute des eacutechantillons de la

premiegravere et deuxiegraveme couche (LADA1 et LADA2) a rendu difficile leur deacutecoupe aux dimensions

souhaitables (5 cmtimes5 cmtimes5 cm) Ainsi nous avons preacuteleveacute des fragments de chacune de ces

couches afin de proceacuteder au traitement thermique Apregraves traitement on remarque que les

eacutechantillons traiteacutes jusqursquoagrave 800 degC se comportent de la mecircme faccedilon Nous preacutesentons sur la

Figure IV-5Figure IV-5 les eacutechantillons avant et apregraves traitement thermique agrave 800 degC

LADA1_800 LADA2_800 LADA3_800 LADA4_800

400 600 800 1000 et 1200 C

2 h 2 h 5 h

120 C

Temps

Tem

peacuter

atu

re

Chapitre IV 112

Figure IV-5 Blocs de lateacuterites avant traitement (haut) et apregraves traitement thermique agrave 800degC

au four eacutelectriques (bas)

On remarque qursquoapregraves traitement thermique les eacutechantillons de la premiegravere couche perdent leurs

compaciteacutes et se deacutesagregravegent En effet dans les lateacuterites crsquoest la kaolinite qui joue en geacuteneacuteral le

rocircle du liant entre les grains Sa faible teneur sur les premiegraveres couches a eacuteteacute observeacutee lors des

caracteacuterisations structurales Par contre les couches infeacuterieures contiennent une teneur plus

importante (ge20) en kaolinite ce qui explique leur meilleure coheacutesion

De lagrave mecircme faccedilon les mateacuteriaux traiteacutes agrave plus de 800 degC ont la mecircme apparence De ce fait

nous allons nous inteacuteresser aux eacutechantillons traiteacutes agrave 1200degC Les mateacuteriaux obtenus apregraves

traitement thermique des blocs de lateacuterite agrave 1200 degC au four eacutelectrique sont preacutesenteacutes par la

Figure IV-6


Figure IV-6 Blocs de lateacuterites apregraves traitement thermique agrave 1200degC au four eacutelectriques

Lrsquoeacutechantillon LADA3 reste stable meacutecaniquement apregraves le traitement Les eacutechantillons LADA1

LADA2 et LADA4 preacutesentent des fissurations importantes Contrairement agrave ce que nous avons

observeacute pour lrsquoeacutechantillon de la quatriegraveme couche (LADA4) lors des traitements en dessous de

800 degC les traitements au-dessus de 800 degC provoquent une deacutesagreacutegation des grains Cela peut

srsquoexpliquer par le fait que malgreacute la quantiteacute importante en kaolinite qui est censeacutee jouer le rocircle

de liant lrsquoineacutegale contraction et lexpansion thermique des mineacuteraux contenus dans la roche

peuvent provoquer des deacutesagreacutegations dans la roche Les lateacuterites de Dano sont des mateacuteriaux

constitueacutes de plusieurs types de mineacuteraux Cette instabiliteacute est geacuteneacuteralement plus accentueacutee pour

les roches agrave grains fins (couches infeacuterieures) alors quelle diminue avec laugmentation de

porositeacute (couches supeacuterieures) Il est donc important de choisir la couche contenant le taux

optimal de liant Les caracteacuterisations suppleacutementaires devraient permettre de mieux orienter la

seacutelection

2113 Caracteacuterisation structurale des lateacuterites traiteacutees

Les reacutesultats de lrsquoanalyse structurale des eacutechantillons recuits agrave 400 600 800 1000 et

1200 degC sont preacutesenteacutes sur la Figure IV-7 Les principales phases identifieacutees sur les eacutechantillons

bruts sont des cristaux de quartz (SiO2) kaolinite (Si2O5Al2(OH)4 et la goethite (FeOOH) Le

perciclase (MgO) et lrsquooxyde de titane (TiO2) ont eacuteteacute deacutetecteacutes en faible quantiteacute particuliegraverement

dans lrsquoeacutechantillon de quatriegraveme couche (LADA4)

Chapitre IV 113

Apregraves traitement de recuit agrave 400 degC toute la goethite se transforme en heacutematite et sur tous

les eacutechantillons Agrave partir de 600 degC on observe sur les eacutechantillons des diffeacuterentes couches la

disparition des pics de kaolinite indiquant son passage agrave la meacutetakaolinite Par la suite la

kaolinite preacutesente srsquoest transformeacutee via la meacutetakaolinite en mullite La mullite est un mateacuteriau

ceacuteramique tregraves utiliseacute en raison de ses proprieacuteteacutes thermiques et meacutecaniques favorables et de son

caractegravere reacutefractaire Ces transformations de phase sont en conformiteacute avec les observations

faites sur les courbes TGDSC des eacutechantillons bruts de lateacuterites Ces reacutesultats sont tregraves

inteacuteressants car la mullite industrielle dont le coucirct peut atteindre 9000 euros la tonne peut ecirctre

substitueacutee par la nocirctre Par ailleurs les phases contenant le fer peuvent si leur distribution est en

reacuteseau continu contribuer agrave ameacuteliorer la conductiviteacute thermique de nos mateacuteriaux

Les pics de goethite ont disparu pour donner naissance agrave ceux de lrsquoheacutematite Par ailleurs

les pics drsquoheacutematites deviennent plus intenses avec lrsquoaugmentation de la tempeacuterature de

traitement ce qui signifie une bonne cristallisation de cette phase Ces observations sont les

mecircmes pour toutes les couches

Figure IV-7 Diffractogramme des eacutechantillons de lateacuterite traiteacutes agrave 400 600 800 et 1000 et

1200 degC a) LADA1 b) LADA2 c) LADA3 d) LADA4

Les cristaux drsquoheacutematite preacutesentent un potentiel inteacuteressant pour le stockage thermique En effet

la conductiviteacute thermique de lrsquoheacutematite est de lrsquoordre de 6 agrave 11 Wmiddotm-1

middotK-1

et est proche de celle

de la mullite qui est comprise entre 3 et 6 Wmiddotm-1

middotK-1

[123190248] Le deacuteveloppement drsquoun

(d)

(b)

(c)

(c)

Chapitre IV 114

nombre important de grains drsquoheacutematites dans la structure est ainsi susceptible drsquoaugmenter la

conductiviteacute thermique globale du mateacuteriau grandeur essentielle pour la gestion des flux de

chaleur dans une application de stockage thermique [249]

Les pics de quartz α ont eacutegalement eacuteteacute deacutetecteacutes sur les eacutechantillons apregraves les traitements

dans tous les eacutechantillons Au-delagrave de 575 degC agrave la pression ambiante il se transforme en quartz

β une autre forme cristalline de symeacutetrie hexagonale Cette transformation est exothermique et

reacuteversible Ce changement srsquoaccompagne drsquoune augmentation de volume comprise entre 1 et

6 Lors drsquoune augmentation de la tempeacuterature et agrave partir drsquoune certaine tempeacuterature certains

mineacuteraux comme le quartz se dilatent ou se contractent Ces pheacutenomegravenes sont particuliegraverement

anisotropes drsquoautant plus que les roches sont poly-mineacuterales et heacuteteacuterogegravenes Lorsque lrsquoordre de

grandeur des dilatations nrsquoest pas le mecircme cela provoque des pheacutenomegravenes drsquoincompatibiliteacute de

deacuteformation drsquoougrave la dilatation diffeacuterentielle et donc lrsquoaugmentation du volume drsquoespace vide Ce

changement de volume peut avoir un effet sur la stabiliteacute des mateacuteriaux Ces pheacutenomegravenes

peuvent donc ecirctre agrave lrsquoorigine des fissures observeacutees sur lrsquoeacutechantillon LADA4_1200 qui eacutetait

principalement composeacute de quartz (92) avant le traitement Cependant lrsquoeacutechantillon

LADA3_1200 reste stable thermiquement Cette stabiliteacute est probablement le reacutesultat drsquoun

eacutequilibre quantitatif des phases en preacutesence Le quartz y est preacutesent en faible quantiteacute

Concernant les eacutechantillons LADA1_1200 et LADA2_1200 la deacutehydroxylation de la kaolinite

et de la goethite expliqueraient les fissures observeacutees

Le traitement thermique agrave 1200 degC a pour conseacutequence le deacuteveloppement significatif

des phases mullite La lateacuterite apregraves traitement peut ainsi ecirctre utiliseacutee en tant que mateacuteriaux de

stockage peu coucircteux dans le systegraveme de type thermocline pour remplacer jusquagrave 80 des

liquides conventionnellement utiliseacutes comme les sels fondus ou les huiles thermiques Ainsi les

ceacuteramiques couramment envisageacutees comme garnissage dans les thermoclines et dont le coucirct est

tregraves eacuteleveacute peuvent ecirctre substitueacutees par les mateacuteriaux issus de la transformation des lateacuterites

2114 Analyse morphologique et chimique des lateacuterites traiteacutees

La Figure IV-8 illustre les micrographies MEB des eacutechantillons traiteacutes agrave 1200 degC Les

observations mettent en eacutevidence pour tous les eacutechantillons une structure micrographique de

cristaux de fer (couleur blanche) disperseacutes de faccedilon aleacuteatoire dans la matrice principale

composeacutee principalement de silice et drsquoaluminium Cette morphologie srsquoobserve sur plus de 80

de lrsquoeacutechantillon La taille des cristaux obtenus est infeacuterieure agrave 2 μm

Chapitre IV 115

BSE

SE


Figure IV-8 Image BSE et SE des eacutechantillons de lateacuterite apregraves traitement au four eacutelectrique

Lrsquoanalyse quantitative plus speacutecifique des cristaux relegraveve qursquoils comprennent en pourcentage

massique environ 19 agrave 41 de Fer La composition globale en pourcentage massique est

preacutesenteacutee dans le Tableau IV-1

Tableau IV-1 Analyse EDS des eacutechantillons de lateacuterite apregraves traitement thermique agrave 1200 degC

massique Fe Si Al Ti Mg O

LADA1_1200 4193 57 1171 059 179 3696

LADA2_1200 3017 1233 1254 042 257 4061

LADA3_1200 1905 1562 1379 068 33 427

LADA4_1200 1958 1885 1225 032 231 4362

Les images apregraves traitement de la Figure IV-8 ne diffegraverent pas suffisamment de celles avant le

traitement de la Figure II-12 En effet aucune structure particuliegravere nrsquoest observeacutee sur les deux

figures La proportion en fer des eacutechantillons apregraves traitement diminue avec la profondeur et est

infeacuterieure agrave la proportion initiale pour les lateacuterites LADA2_1200 LADA3_1200 et

LADA4_1200 Lrsquoeacutechantillon LADA1_1200 possegravede un taux de fer le plus eacuteleveacute soit 4193 le

fer preacutesent serait probablement de lrsquoheacutematite Le taux de silice est relativement stable pour les

premiegraveres couches (LADA1_1200 et LADA2_1200) Cela correspond agrave une augmentation de 73

et 15 respectivement pour les eacutechantillons LADA3 et LADA4 Le taux drsquoaluminium a

leacutegegraverement diminueacute apregraves la fusion Ce taux est presque identique (en moyenne12) pour tous

les eacutechantillons

2115 Conclusion sur le traitement thermique de la lateacuterite

Pendant le traitement thermique les constituants de la lateacuterite subissent des

transformations physico-chimiques et mineacuteralogiques importantes qui modifient les

Chapitre IV 116

caracteacuteristiques microstructurales du mateacuteriau De faccedilon geacuteneacuterale le bloc de lateacuterite de la

troisiegraveme et la quatriegraveme couche restent particuliegraverement stable apregraves traitement thermique agrave

jusqursquoagrave 800 degC Cependant au-delagrave de 800 degC seule la lateacuterite de troisiegraveme couche reste stable

Les eacutechantillons traiteacutes au four eacutelectrique (ge 800 degC) preacutesentent des phases cristallines de

mullite drsquoheacutematite et de quartz Les inclusions drsquoheacutematite preacutesents dans la matrice principale en

quartz serraient susceptibles drsquoameacuteliorer la conductiviteacute thermique Par ailleurs mecircme si les

compositions initiales des lateacuterites peuvent ecirctre consideacutereacutees comme tregraves variables les principaux

composeacutes (Fe Si et Al) controcirclent majoritairement les proprieacuteteacutes des mateacuteriaux Les proprieacuteteacutes

attendues des mateacuteriaux obtenus peuvent ecirctre dans la gamme de ceux deacutejagrave connus pour des

roches de compositions similaires

Ainsi les lateacuterites des deux derniegraveres couches (LADA1 et LADA2) peuvent ecirctre utiliseacutees

apregraves traitement thermique agrave 800 degC comme mateacuteriaux de remplissage dans les systegravemes de type

thermocline Les mateacuteriaux traiteacutes agrave 1200 degC peuvent ecirctre envisageacutes pour les futures

technologies CSP de type centrale agrave tour ou les tempeacuteratures atteignent 1000 degC

212 Eacutelaboration par vitrification-cristallisation des poudres de lateacuterite


Les reacutesultats des analyses thermiques DSCTG indiquent que la fusion des eacutechantillons des

lateacuterites de Dano se fait agrave plus de 1400 degC Les proceacutedeacutes conventionnels de vitrification comme

la torche agrave plasma eacutetant eacutenergivores le coucirct eacutenergeacutetique du proceacutedeacute peut consideacuterablement ecirctre

reacuteduit par un proceacutedeacute drsquohybridation solaire eacutelectrique Compte tenu de la tempeacuterature de fusion

la quantiteacute deacutenergie correspondante induit un besoin de moyen de traitement eacutecologique agrave haute

tempeacuterature afin de produire des TESM durables Comme il a deacutejagrave eacuteteacute reacutealiseacute sur les cendres

volantes [250] et les laitiers meacutetallurgiques [251] au laboratoire PROMES les traitements agrave

haute tempeacuterature peuvent ecirctre avantageusement obtenus en utilisant des technologies solaires agrave

concentration Le four solaire du laboratoire PROMES agrave Odeillo en France a eacuteteacute donc utiliseacute

pour faire fondre les eacutechantillons dans cette eacutetude Cette meacutethode hybride drsquoeacutelaboration peut

permettre une reacuteduction significative de la consommation deacutenergie du proceacutedeacute de traitement

thermique Dans cette optique et afin de fournir des reacutesultats preacuteliminaires les lateacuterites ont eacuteteacute

vitrifieacutees agrave Odeillo agrave lrsquoaide de la parabole solaire agrave axe vertical de 2 m de diamegravetre eacuteclaireacutee par

des heacuteliostats comme illustreacutes sur le scheacutema de la Figure IV-9 Le facteur de concentration est de

lrsquoordre de 15000 et la puissance thermique varie entre 15 et 2 kW ce qui permet drsquoatteindre des

tempeacuteratures de lrsquoordre de 3000 degC agrave la focale

Chapitre IV 117

Figure IV-9 Principe de fonctionnement du four solaire agrave axe vertical dOdeillo

Le Protocol expeacuterimental utiliseacute se deacutecrit comme suit environ 10 grammes de poudre de

chacune des strates est placeacute sur la plaque autour drsquoun creuset en graphite situeacute au centre de la

parabole La plaque est refroidie gracircce agrave une circulation drsquoeau sur la face arriegravere Agrave partir du

rayonnement solaire concentreacute le mateacuteriau est eacuteleveacute agrave tregraves haute tempeacuterature (ge 1500degC) ce qui

entraine sa fusion Le refroidissement se fait agrave lrsquoair Dans un premier temps nous avons

progressivement deacuteplaceacute la focale afin de reacuteduire le flux de faccedilon agrave limiter les chocs thermiques

dans le mateacuteriau Il est ensuite refroidi par convection naturelle Sur la Figure IV-10 on peut

observer agrave gauche le mateacuteriau en fusion et agrave droite le creuset contenant le vitrifiat obtenu

Figure IV-10 Fusion des eacutechantillons (gauche) et creuset avec les vitrifiats (droite)

Apregraves la vitrification de la lateacuterite les billes de verre obtenues sont par la suite cristalliseacutees au

four eacutelectrique La proceacutedure de traitement thermique utiliseacutee est preacutesenteacutee sur la Figure IV-11

Chapitre IV 118

Figure IV-11 Proceacutedure de traitement thermique des lateacuterites apregraves la vitrification au four

eacutelectrique

La lateacuterite vitrifieacutee est porteacutee agrave 1100 degC en 2 h pour y rester pendant 10 h Une fois termineacutee

lrsquoeacutetape de cristallisation suit avec un refroidissement agrave la vitesse de 1 degCmiddotmin-1

jusqursquoagrave la

tempeacuterature ambiante Il faut par ailleurs noter que tout le traitement thermique se fait en

preacutesence dair

2122 Caracteacuterisation structurale des eacutechantillons traiteacutes

Les reacutesultats des analyses DRX des eacutechantillons des lateacuterites des diffeacuterentes couches

(bruts fondus et cristalliseacutes) sont preacutesenteacutes sur la Figure IV-12 Les reacutesultats montrent que la

magneacutetite et le spinelle sont les principales phases deacutetecteacutees apregraves le traitement thermique de

cristallisation Le spinelle est la seule phase deacutetecteacutee sur lrsquoeacutechantillon LADA1_FS_R apregraves la

cristallisation (Figure IV-12-a) En effet comme le montrent les analyses de lrsquoeacutechantillon brut

(LADA1) lrsquoheacutematite et la goethite sont majoritairement preacutesentes dans lrsquoeacutechantillon ce qui

aurait pour conseacutequence de favoriser la formation des structures agrave forte teneur en fer comme le

spinelle Par contre lrsquoeacutechantillon de deuxiegraveme couche LADA2_FS_R apregraves traitement et apregraves

recuit est formeacute de magneacutetite en plus du spinelle Lrsquoeacutechantillon brut de deuxiegraveme couche

(LADA2) a une teneur en oxyde de silice plus eacuteleveacute que la premiegravere couche Ainsi il srsquoavegravere que

dans un environnement de ce type la formation de la magneacutetite est favoriseacutee

Les pics de cristobalite (SiO2) ont eacuteteacute eacutegalement deacutetecteacutes dans le mateacuteriau vitrifieacute En effet

les analyses de lrsquoeacutechantillon brut (LADA4) montrent que le quartz et la kaolinite sont les

principaux constituants (ge 70) La conductiviteacute thermique de la phase de magneacutetite est environ

5 et 7 Wm-1

K-1

[248] Comme preacuteceacutedemment mentionneacutee dans le cas de lheacutematite la phase de

magneacutetite peut eacutegalement contribuer agrave ameacuteliorer la conductiviteacute thermique du mateacuteriau eacutelaboreacute

Drsquoun autre cocircteacute comme la mullite le spinelle est eacutegalement consideacutereacute comme phase reacutefractaire

Par ailleurs le spinelle est une phase tregraves dense pouvant atteindre jusqursquoagrave 3500 kgm3 La

densiteacute eacutenergeacutetique reacutesultante du mateacuteriau final nrsquoen sera que meilleure

1100 C

2 h

10 h

Temps

Tem

peacutera

ture

Chapitre IV 119

Figure IV-12 Diffractogramme des eacutechantillons de lateacuterite traiteacutes par fusion et cristallisation agrave

1100 degC (a) LADA1 (b) LADA2 (c) LADA3 (d) LADA4

La formation du spinelle de la mullite et de la magneacutetite peuvent avoir respectivement un

effet sur la stabiliteacute et sur la conductiviteacute du mateacuteriau final Ces reacutesultats montrent le potentiel

deacutelaboration de TESM agrave partir de lateacuterite par proceacutedeacute hybride solaire eacutelectrique

2123 Analyse morphologique des eacutechantillons traiteacutes

La morphologie et la composition des eacutechantillons bruts de la lateacuterite des diffeacuterentes

couches fondues et cristalliseacutees ont eacuteteacute eacutetudieacutees par lrsquoanalyse en contraste chimique et lrsquoanalyse

chimique (EDS) Comme on peut lrsquoobserver sur la Figure IV-13 aucune structure particuliegravere

nrsquoest observeacutee sur les mateacuteriaux bruts

Apregraves la fusion au four solaire et la cristallisation on constate que la structure est typique

drsquoune phase amorphe pour la lateacuterite de la quatriegraveme couche LADA4_FS Ce qui implique que

les phases cristallines deacutetecteacutees dans lrsquoeacutechantillon pendant lrsquoanalyse DRX sont soit minoritaires

ou ont totalement eacuteteacute vitrifieacutees Cela est eacutegalement le cas pour la lateacuterite de troisiegraveme couche

LADA3_FS mecircme si on observe un deacutebut de structure sur lrsquoimage LADA3_FS Contrairement

aux eacutechantillons LADA3_FS et LADA4_FS les eacutechantillons LADA1_FS et LADA2_FS

preacutesentent des structures en forme de dendrites Cette structure occupe une grande partie de


(a) (b)

(d)(c)

Chapitre IV 120

Figure IV-13 images en contraste chimique des lateacuterites des diffeacuterentes couches brutes

vitrifieacutees et recuites agrave 1100 degC (a) LADA1 (b) LADA2 (c) LADA3 (d) LADA4

Apregraves le recuit agrave 1100 degC pendant 5 h des eacutechantillons fondus les observations BSE

mettent en eacutevidence une structure reacutepeacutetitive de dendrite composeacutee principalement drsquooxygegravene et

de fer pour toutes les couches Cette structure srsquoobserve sur plus de 80 de lrsquoeacutechantillon La

micrographie de ces eacutechantillons est typique drsquoune vitroceacuteramique preacutesentant des cristaux en

forme de fleurs disperseacutes de faccedilon aleacuteatoire dans la matrice principale composeacutee de silice et

drsquoaluminium La taille des cristaux obtenus est comprise entre 1 et 5 μm pour lrsquoeacutechantillon

LEDS a eacuteteacute utiliseacute pour analyser la composition chimique de chaque structure reacutepeacutetitive

observeacutee dans les micrographies BSE Ainsi la phase mineacuterale associeacutee agrave chaque composition

chimique est identifieacutee en faisant correspondre les reacutesultats de lEDS et de la DRX Les analyses

indiquent que la matrice principale de leacutechantillon cristalliseacute est composeacutee de spinelle de Fe et

que linclusion est faite de magneacutetite La transformation de toute la goethite initiale en magneacutetite

peut contribuer agrave ameacuteliorer la conductiviteacute thermique finale En effet la conductiviteacute thermique

de la phase heacutematite est denviron 6 agrave 11 W m-1

K-1

[39 64] Geacuteneacuteralement les systegravemes

thermoclines sont conccedilu avec lhypothegravese dun nombre Biot (Bi = (htimesLc)λ) infeacuterieur agrave 01

eacutetiquette drsquoun corps dit laquothermiquement minceraquo et la tempeacuterature peut ecirctre supposeacutee constante

dans tout le volume consideacutereacute Cette hypothegravese est vraie avec de petites particules solides ce qui

nest pas toujours le cas pour les mateacuteriaux comme les ceacuteramiques dont la taille est de plusieurs

centimegravetres En fait laugmentation de la taille des particules peut entrainer une augmentation du

gradient de tempeacuterature entre le fluide et les surfaces des particules et dans les particules solides

Xu et al ont montreacute que la faible conductiviteacute thermique des mateacuteriaux de remplissage limite le

transfert de chaleur entre le fluide et les particules solides ayant de grands diamegravetres [252] Les

mateacuteriaux dont la conductiviteacute est de lrsquoordre de lrsquoordre de 57 Wmiddotm-1

middotK-1

doivent avoir une taille

10 μmLADA1_FS_R 15 kV 2 k x

LADA1 15 kV 2 k x10 μm

LADA1_FS 15 kV 2 k x10 μm



10 μmLADA2__FS_R 15 kV 2 k x10 μmLADA3_FS_R 15 kV 2 k x






Spinelle

Magneacutetite

Structure reacutepeacutetitive

Amorphe


Magneacutetite



(a) LADA1 (b) LADA2 (c) LADA3 (d) LADA4

Chapitre IV 121

laquooptimaleraquo de 19 mm pour un bon rendement du thermocline [252] Cest donc pour ces raisons

quune bonne conductiviteacute thermique est neacutecessaire pour les ceacuteramiques eacutelaboreacutees Drsquoautres

partent dune autre configuration de stockage impliquant un garnissage structureacute comme des

plaques empileacutees ougrave une eacutepaisseur minimale est neacutecessaire pour garantir la reacutesistance meacutecanique

du mateacuteriau de stockage Dans ce cas la conductiviteacute thermique peut aussi ecirctre un paramegravetre

limitant Par rapport aux mateacuteriaux naturels pour lesquels la conductiviteacute est fixe il pourrait ecirctre

avantageux de pouvoir lrsquoameacuteliorer dans des ceacuteramiques eacutelaboreacutees

La formation dun nombre important dinclusions de magneacutetite dans la structure apparait

donc comme une possibiliteacute daugmenter la conductiviteacute thermique totale du mateacuteriau ce qui est

hautement rechercheacute pour la gestion des flux de chaleur dans une application de stockage

thermique comme nous venons de le constater

2124 Comportement thermique des eacutechantillons traiteacutes

Les comportements thermiques des mateacuteriaux eacutelaboreacutes ont eacuteteacute eacutetudieacutes en utilisant la

TGDSC La perte de masse due agrave la variation de la tempeacuterature pendant deux cycles successifs

jusquagrave 900 degC a eacuteteacute enregistreacutee sur les eacutechantillons de lateacuterite cristalliseacutee Les courbes TGDSC

sont preacutesenteacutees sur la Figure IV-14

Figure IV-14 Courbes TGDSC des lateacuterites des diffeacuterentes couches traiteacutees par fusion et

cristallisation agrave 1100 degC a) LADA1_FS_R b) LADA2_FS_R c) LADA3_FS_R d) LADA4_FS_R

a) b)

c) d)

Chapitre IV 122

Les eacutechantillons preacutesentent une variation de masse drsquoenviron 16 en moyenne La lateacuterite de la

quatriegraveme couche a perdu 4 de sa masse apregraves le premier cycle Cela est probablement ducirc agrave sa

forte teneur en hydroxyle qui se deacutecompose agrave la perte drsquoeau libre Cependant cette variation

nrsquoest que de 01 pour le second cycle ce qui indique une stabiliteacute du mateacuteriau Se faisant une

stabilisation totale en tempeacuterature peut ecirctre envisageacutee apregraves plusieurs cycles conseacutecutifs Ce qui

montre que le mateacuteriau reste pratiquement stable pendant le chauffage et le refroidissement En

effet la preacutesence de spinelle qui est consideacutereacute comme une phase reacutefractaire est probablement agrave

lrsquoorigine de cette stabiliteacute De ce fait on peut en deacuteduire que le comportement observeacute sur les

courbes TGDSC est en conformiteacute avec les analyses DRX Toutefois les courbes DSC des

eacutechantillons LADA1_FS_R et LADA2_FS_R preacutesentent un leacuteger pic autour de 500 degC Ces

leacutegers pics sont probablement dus aux transitions de phases des phases cristallines en preacutesence

Cela est particuliegraverement visible au chauffage et au refroidissement de lrsquoeacutechantillon

LADA1_FS_R Deux leacutegers pics observent aussi entre 200 et 300 degC sur les courbes DSC des

eacutechantillons LADA3_FS_R et LADA4_FS_R et est surement le reacutesultat drsquoun arteacutefact Agrave part ces

leacutegers pics les eacutechantillons ne preacutesentent pas drsquoeffet thermique particulier mais principalement

de la chaleur sensible jusqursquoagrave 900 degC

Ces reacutesultats confirment le fait que les lateacuterites peuvent ecirctre utiliseacutees dans les systegravemes de

stockage agrave haute tempeacuterature jusqursquoagrave 900 degC ce qui est dans la plage de fonctionnement de tous

les types de centrales CSP

22 Eacutelaboration de mateacuteriaux agrave partir de cendre de foyer de SONICHAR


Les mateacuteriaux ont tout drsquoabord eacuteteacute fondus au four solaire Le vitrifiat obtenu a ensuite subit un

traitement thermique de deacutevitrification au four eacutelectrique La Figure IV-15 preacutesente le protocole

expeacuterimental suivi pour recuit des cendres de foyer de SONICHAR Les eacutechantillons ont drsquoabord

eacuteteacute introduits dans le four et porteacutes agrave 1200 degC en 2 h La tempeacuterature de 1200 degC correspond agrave la

tempeacuterature de cristallisation observeacutee sur la courbe DSC des cendres de foyer brut et

correspondant agrave la formation de la mullite

Chapitre IV 123

Figure IV-15 Proceacutedure de traitement thermique des cendres de foyer apregraves la vitrification au

four eacutelectrique

Une fois atteinte la tempeacuterature du four est maintenue pendant 10 h Apregraves les 10 h le mateacuteriau

est refroidi agrave la vitesse de 1 degCmiddotmin-1

jusqursquoagrave la tempeacuterature ambiante Comme pour les lateacuterites

le traitement thermique srsquoeffectue en preacutesence drsquoair

2212 Caracteacuterisation structurale des cendres de foyer traiteacutees

Les diffractogrammes des cendres de foyer obtenus agrave lrsquoissue du proceacutedeacute de fusion agrave la

parabole solaire et du traitement de recuit sont preacutesenteacutes sur la Figure IV-16 On constate que les

cendres de foyer sont principalement composeacutees de mullite et de quartz Le fond continu entre

20 et 30degsur lrsquoeacutechantillon brut de cendre de foyer indique la preacutesence drsquoune partie amorphe dans

le mateacuteriau Le mateacuteriau obtenu apregraves la fusion agrave la parabole solaire est principalement amorphe

avec des traces de mullite Le diffractogramme du mateacuteriau obtenu agrave lrsquoissue du traitement

thermique de cristallisation controcircleacute montre que la phase amorphe a pratiquement disparu les

pics de diffraction ont eacuteteacute indexeacutes comme reacutesultant du plan de reacuteflexion de la mullite de formule

chimique Al6 Si2 O13 Aucune autre phase nrsquoa eacuteteacute deacutetecteacutee lors des analyses De plus les pics de

mullite apregraves recuit (BA_M_HT) sont plus intenses que ceux du mateacuteriau fondu (BA_M) Cela

confirme lrsquoeffet du traitement thermique

1200 C

2 h

10 h

Temps

Tem

peacutera

ture

Chapitre IV 124

Figure IV-16 Diffractogramme des eacutechantillons des cendres de foyer (BA) traiteacutees par fusion

et cristallisation agrave 1200 degC

La ceacuteramique de mullite est un mateacuteriau tregraves utiliseacute en raison de ses proprieacuteteacutes thermiques

et meacutecaniques favorables et de son caractegravere reacutefractaire Ceci est un reacutesultat inteacuteressant car la

mullite conventionnelle qui coucircte 9000 euros la tonne pourrait ecirctre substitueacutee par la nocirctre

2213 Comportement thermique des macircchefers traiteacutes

Le comportement thermique du mateacuteriau eacutelaboreacute agrave partir des cendres de foyer preacutesenteacute sur la

Figure IV-17 a eacuteteacute eacutetudieacute par lrsquoanalyse TGDSC afin drsquoeacutetudier sa stabiliteacute Les analyses TGDSC

pendant deux cycles successifs agrave 900 degC de la mullite ainsi eacutelaboreacutee montrent que le mateacuteriau

reste stable durant les phases de chauffages et de refroidissements On observe une perte de

masse de 01 apregraves les deux cycles La courbe DSC ne preacutesente pas de pic ce qui signifie que

seule la chaleur sensible est preacutesente dans le mateacuteriau Cette stabiliteacute est probablement due agrave la

preacutesence de la mullite Ce qui confirme le caractegravere stable de cette phase

Chapitre IV 125

Figure IV-17 Courbes TGDSC des eacutechantillons de cendres de foyer (BA) traiteacutees par fusion et

cristallisation agrave 1200 degC

Le traitement thermique subit permet drsquoeffacer tous les changements de phases comme observeacutes

sur la Figure IV-17 Le mateacuteriau eacutelaboreacute peut donc ecirctre utiliseacute comme mateacuteriau de stockage de la

chaleur pour toutes les technologies CSP jusqursquoagrave 900 degC Ces reacutesultats TGDSC permettent

donc de valider le proceacutedeacute drsquoeacutelaboration utiliseacute quant agrave la mise en œuvre drsquoun mateacuteriau

thermiquement stable

23 Conclusion sur les mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de matiegravere premiegravere unique

Cette partie avait pour objectif de mettre en eacutevidence le potentiel de la lateacuterite et des

cendres de foyer comme TESM pour les CSP en Afrique de lrsquoOuest La Mullite et le spinelle ont

eacuteteacute obtenus comme phases reacutefractaires sur les eacutechantillons soumis aux diffeacuterents traitements

thermiques La phase magneacutetite et la phase heacutematite ont eacutegalement eacuteteacute identifieacutees comme bonnes

conductrices de la chaleur Les mateacuteriaux obtenus restent stables thermiquement jusqursquoagrave 900 degC

La mullite est la seule phase mineacuterale stable dans le diagramme ternaire agrave pression

atmospheacuterique des ceacuteramiques En raison de ses proprieacuteteacutes thermiques et meacutecaniques

inteacuteressantes dans la gamme des tempeacuteratures eacuteleveacutees elle est largement reacutepandue dans la

fabrication des piegraveces dans lindustrie de lacier ou du verre Ces reacutesultats ouvrent eacutegalement la

voie pour une eacutelaboration de mateacuteriaux agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire pour la fabrication de TESM

Les reacutesultats obtenus sur les macircchefers et les lateacuterites confirment le potentiel de ces

mateacuteriaux comme mateacuteriaux de stockage thermique et permettent de confirmer et de renforcer

les hypothegraveses suivantes

La possibiliteacute drsquoeacutelaborer des ceacuteramiques composites reacutefractaires pour le stockage de la

chaleur

La possibiliteacute drsquoutiliser la ressource solaire pour une partie du proceacutedeacute drsquoeacutelaboration des

mateacuteriaux et ainsi reacuteduire le coucirct eacutenergeacutetique drsquoeacutelaboration

Chapitre IV 126

La possibiliteacute de deacutevelopper un nouveau marcheacute de deacuteboucheacutes tant pour les industriels

que pour les populations locales

3 Eacutelaboration de mateacuteriaux composites agrave partir de

meacutelanges de ressources Lateacuterite Cendres de foyer et

chaux

Dans cette partie des mateacuteriaux de stockage composites sont deacuteveloppeacutes en combinant des

macircchefers de la lateacuterite avec les reacutesidus de la production daceacutetylegravene du Burkina afin de produire

des ceacuteramiques reacutefractaires

31 Inteacuterecirct de lrsquoutilisation de la chaux de BIG

Les ceacuteramiques issues du traitement des deacutechets peuvent srsquoaveacuterer moins chegraveres que les

mateacuteriaux reacutefractaires commerciaux Cependant les mateacuteriaux eacutelaboreacutes directement agrave partir soit

de cendres de foyer soit de lateacuterites neacutecessitent des proceacutedeacutees de traitement eacutenergivores et

complexes Cette contrainte est due agrave leur point de fusion qui est compris entre 1400 et 1475 degC

pour les lateacuterites et 1450 degC pour le macircchefer Cela peut limiter la viabiliteacute de cette approche En

effet nous venons de voir que les lateacuterites peuvent ecirctre fondues agrave haute tempeacuterature en utilisant

leacutenergie solaire concentreacutee Par ailleurs le produit obtenu est parfois trop visqueux pour

permettre le moulage et la mise en forme aiseacutee et la tempeacuterature de fusion est excessivement

eacuteleveacutee Il faut eacutegalement garder agrave lrsquoesprit que le proceacutedeacute drsquoeacutelaboration doit ecirctre reproductible agrave

grande eacutechelle crsquoest-agrave-dire pour une reacutealisation de modules unitaires Quand on veut produire

des modules de stockage deacutenergie thermique agrave partir de geacuteomeacutetries speacutecifieacutees par moulage il est

neacutecessaire drsquoutiliser un fondant en ajout au mateacuteriau de base Les reacutesidus de la production

industrielle de lrsquoaceacutetylegravene par la socieacuteteacute BIG ont eacuteteacute utiliseacutes dans ce sens

Afin de lever ces verrous il est indispensable de deacutevelopper de nouvelles approches en vue

de reacuteduire de faccedilon significative la tempeacuterature de fusion tout en restant dans la plage des phases

reacutefractaires susceptibles decirctre utiliseacutees comme supports de stockage Comme nous lrsquoavons dit

preacuteceacutedemment les proprieacuteteacutes des ceacuteramiques diffegraverent en fonction de la composition des

matiegraveres premiegraveres et les conditions de traitement thermique Ainsi en modifiant la composition

des mateacuteriaux il est possible dobtenir une varieacuteteacute de phases cristallines et un produit final dont

la nature deacutepend des composants mineurs Si les candidats approprieacutes sont seacutelectionneacutes certains

peuvent eacutegalement ecirctre utiliseacutes comme agents de nucleacuteation ou pour diminuer la tempeacuterature de

fusion Plusieurs eacutetudes ont eacuteteacute consacreacutees agrave lutilisation de diffeacuterentes sources doxyde de

calcium pour lrsquoeacutelaboration des ceacuteramiques [253254] Cependant au regard des contraintes

environnementales actuelles la recherche de ressources alternatives agrave proximiteacute de la zone

dutilisation est un enjeu majeur Agrave cet eacutegard un candidat inteacuteressant constitueacute de deacutechets

industriels a eacuteteacute identifieacute et seacutelectionneacute

Dans le Chapitre 2 nous avons preacutesenteacute la chaux comme un candidat potentiel pour

ameacuteliorer le proceacutedeacute drsquoeacutelaboration En effet la chaux issue du processus de production de

laceacutetylegravene par la socieacuteteacute BIG contient deux composeacutes (Ca(OH)2 et CaCO3) qui peuvent ecirctre des

sources drsquooxyde de calcium Dapregraves le comportement thermique de la chaux eacuteteinte brute de

Chapitre IV 127

BIG en utilisant des proceacutedeacutes approprieacutes de traitement thermique le Ca(OH)2 et le CaCO3

reacuteagissent individuellement pour former respectivement agrave 500 degC et 800 degC de loxyde de

calcium (CaO) Loxyde de calcium est consideacutereacute comme un composeacute tregraves alcalin qui peut reacuteagir

avec Al2O3 SiO2 Ce mateacuteriau peut agrave la fois ecirctre utiliseacute pour reacuteduire la tempeacuterature de fusion et la

viscositeacute des meacutelanges de matiegraveres mineacuterales primaires [211] Par conseacutequent loxyde de

calcium formeacute devrait reacuteagir avec les autres composeacutes des cendres de foyer ou de la lateacuterite afin

de reacuteduire leurs tempeacuteratures de fusion du meacutelange

32 Eacutelaboration de mateacuteriaux agrave partir de meacutelange de lateacuterite et de la chaux de

BIG

321 Approche et protocole expeacuterimental

Dans lrsquooptique de favoriser la formation des phases reacutefractaires tout en reacuteduisant la

tempeacuterature drsquoeacutelaboration seuls les eacutechantillons de la troisiegraveme et quatriegraveme couche (LADA3 et

LADA4) ont eacuteteacute utiliseacutes dans cette partie En effet ces derniers ont des teneurs en fer moins

eacuteleveacutees que celle des deux premiegraveres couches Par ailleurs lrsquoajout de CaO devrait comme on

peut le remarquer sur la Figure IV-18 permettre de deacuteplacer la composition du meacutelange vers les

phases comme lrsquoanorthite la pseudowallastonite ou la rankinite Toutefois la preacutesence de fer

peut entrainer la formation drsquoautre phase agrave base de fer

Figure IV-18 Potentiel drsquoeacutelaboration de ceacuteramique agrave partir des meacutelanges de lateacuterites (LADA3

et LADA4) avec la chaux de BIG

Afin de mettre en eacutevidence les diffeacuterentes possibiliteacutes plusieurs meacutelanges deacutechantillons

bruts de chaux et de poudre lateacuterite ont eacuteteacute preacutepareacutes et leur comportement apregraves traitement

thermique a eacuteteacute suivi Trois eacutechantillons diffeacuterents constitueacutes drsquoun meacutelange de 15 g de lateacuterite et

diffeacuterents pourcentages de chaux de BIG (10 15 20 ) en poids Les poudres ont eacuteteacute meacutelangeacutees

et broyeacutees manuellement dans un creuset en agate puis placeacutees dans diffeacuterents creusets en

graphite Le proceacutedeacute drsquoeacutelaboration est le mecircme que celui utiliseacute pour les matiegraveres premiegraveres

Slaked lime

Surface des ceacuteramiques attendues

LADA4

LADA3

Chaux eacuteteinte

Chapitre IV 128

uniques La vitrification des eacutechantillons a donc eacuteteacute effectueacutee en utilisant le four solaire du

laboratoire PROMES Les mateacuteriaux vitrifieacutes ont ensuite eacuteteacute cristalliseacutes dans un four eacutelectrique

sous atmosphegravere drsquoair Une vitesse de 5 degC min-1

a eacuteteacute programmeacutee pour eacutelever la tempeacuterature du

four agrave 1100 degC suivie drsquoun plateau de 10 h agrave cette tempeacuterature Cette eacutetape est suivie drsquoun

refroidissement controcircleacute de 1 degC min-1

jusqursquoagrave la tempeacuterature ambiante

322 Effet de lrsquoajout de chaux sur la tempeacuterature de fusion des lateacuterites

Pour cette partie nous nous sommes focaliseacutes exclusivement sur la lateacuterite de la quatriegraveme

couche en raison de sa composition eacuteleveacutee en quartz et en alumine La compleacutementariteacute de ces

deux composeacutes avec lrsquooxyde de calcium laisse envisager la possibiliteacute de formuler des

composites Ainsi diffeacuterents meacutelanges de lateacuterite (LADA4) et de chaux eacuteteinte de BIG (10 15 et

20) apregraves vitrification au four solaire ont eacuteteacute analyseacutes par DSC afin drsquoobserver lrsquoinfluence de

lrsquoajout de chaux sur la tempeacuterature de fusion Les reacutesultats DSC preacutesenteacutes sur la Figure IV-19

indiquent une diminution du point de fusion de tous les meacutelanges par rapport agrave lrsquoeacutechantillon brut

Figure IV-19 Courbes DSC des meacutelanges de lateacuterite (LADA4) et diffeacuterentes proportions (10 15

et 20 ) de chaux (SL)

Avec un ajout de 10 de chaux la tempeacuterature de fusion est passeacutee de 1450 degC pour

lrsquoeacutechantillon de lateacuterite brut agrave 1150 degC Cependant on observe que lrsquoaugmentation de la quantiteacute

de chaux induit une augmentation de la tempeacuterature de fusion pour les meacutelanges agrave 15 et 20

mecircme si celle-ci reste infeacuterieure agrave celle de lrsquoeacutechantillon brut On constate par ailleurs que les

reacuteactions endothermiques et exothermiques observeacutees lors du chauffage sur lrsquoeacutechantillon brut

nrsquoapparaissent plus sur meacutelanges pendant le refroidissement en dessous de 850 degC Les

eacutechantillons restent stables Il est donc possible drsquoenvisager une stabiliteacute thermique des

mateacuteriaux eacutelaboreacutes jusqursquoagrave ce niveau de tempeacuterature


Chapitre IV 129

Les eacutechantillons obtenus apregraves traitement thermique de cristallisation au four eacutelectrique ont

eacuteteacute analyseacutes au DRX afin drsquoidentifier les phases cristallines formeacutees La Figure IV-20 preacutesente

les reacutesultats des analyses obtenus agrave partir des meacutelanges effectueacutes avec lrsquoeacutechantillon LADA4 Les

analyses du diffractogramme indiquent la preacutesence de lrsquoanorthite (CaAl2Si2O8) et de la magneacutetite

(Fe3O4) dans tous les eacutechantillons

Figure IV-20 Diffractogramme des mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de meacutelange de lateacuterite de la

quatriegraveme couche (LADA4) avec diffeacuterentes proportions de chaux (10 15 et 20)

Par ailleurs les pics des diffeacuterentes phases cristallines deviennent plus intenses avec

lrsquoaugmentation de la quantiteacute de chaux eacuteteinte Ainsi le meacutelange LADA4+20SL devrait avoir

de meilleures proprieacuteteacutes en termes de stabiliteacute thermique et de conductiviteacute thermique Lrsquoabsence

de lrsquooxyde de titane et de lrsquooxyde de magneacutesium sur le diffractogramme laisse penser que ses

phases sont en tregraves petites quantiteacutes

Des eacutechantillons de lateacuterite de la troisiegraveme couche (LADA3) ont eacutegalement eacuteteacute meacutelangeacutes agrave

diffeacuterents pourcentages de chaux eacuteteinte et traiteacutes thermiquement Les reacutesultats des analyses

preacutesenteacutes sur la Figure IV-21 montrent eacutegalement que de lrsquoanorthite et de la magneacutetite sont les

principales phases identifieacutees sur les diffractogrammes Toutefois les pics de lrsquoanorthite et ceux

de la magneacutetite des mateacuteriaux issus de la troisiegraveme couche ne sont pas aussi intenses que ceux

des mateacuteriaux issus du meacutelange avec la lateacuterite de quatriegraveme couche Par ailleurs presque tous

les pics significatifs des deux phases cristallines sont preacutesents dans le meacutelange avec la lateacuterite de

la quatriegraveme couche Ce qui implique une meilleure cristallisation de ces meacutelanges La preacutesence

perciclase (MgO) et drsquooxyde de titane (TiO2) dans lrsquoeacutechantillon LADA4 serait agrave lrsquoorigine de la

qualiteacute de cette cristallisation Ces composeacutes sont consideacutereacutes comme des agents nucleacuteants

facilitant de ce fait la formation de phase cristalline Par ailleurs le TiO2 permet drsquoameacuteliorer les

proprieacuteteacutes meacutecaniques des mateacuteriaux

Chapitre IV 130


troisiegraveme couche (LADA3) avec diffeacuterentes proportions de chaux (10 15 et 20)

Agrave cause de son caractegravere reacutefractaire au mecircme titre que la mullite ou le spinelle la

ceacuteramique drsquoanorthite est tregraves priseacutee pour ses proprieacuteteacutes reacutefractaires Comme pour le cas des

lateacuterites brutes apregraves fusion les structures identifieacutees sont tregraves compleacutementaires Dans le

domaine de la ceacuteramique lanorthite est consideacutereacutee comme une phase reacutefractaire Ce fait est

important dans le contexte de leacutelaboration de TESM en utilisant de la lateacuterite et de la chaux

eacuteteinte car la formation danorthite et de magneacutetite peut offrir respectivement une bonne stabiliteacute

et un effet favorable sur la conductiviteacute thermique ainsi que sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du

mateacuteriau

324 Analyse morphologiques des mateacuteriaux eacutelaboreacutes

Les diffeacuterents eacutechantillons ont par la suite eacuteteacute soumis agrave lrsquoanalyse morphologique et

chimique La combinaison entre lrsquoanalyse de lrsquoimage en contraste chimique et la composition

chimique des diffeacuterents mateacuteriaux permet de correacuteler les phases identifieacutees aux DRX aux formes

visibles sur lanalyse en contraste chimique Lrsquoanalyse des images des eacutechantillons de lateacuterite de

la quatriegraveme couche (LADA) meacutelangeacutes avec 10 15 et 20 de chaux montre apregraves traitement de

cristallisation une structure composite de type matrice principale et inclusion (Figure IV-22)

Lrsquoanalyse chimique des diffeacuterentes formes identifieacutees indique au regard de leur composition que

lrsquoanorthite est la phase principale et repreacutesente la matrice de base du mateacuteriau De faccedilon

geacuteneacuterale les cristaux de magneacutetite formeacutes lors du refroidissement suivent une forme drsquoinclusion

disperseacutee en reacuteseau dendritique Cela se remarque encore plus sur lrsquoeacutechantillon LADA4+20

(Figure IV-22-c)

Chapitre IV 131

Figure IV-22 Image en contraste chimique du mateacuteriau eacutelaboreacute agrave partir du meacutelange lateacuterite de

la quatriegraveme couche et diffeacuterentes quantiteacutes de chaux eacuteteinte de BIG a) (LADA4 +10SL) b)

(LADA4 + 15SL) c (LADA4 + 20SL)

En effet lrsquoimage du meacutelange agrave 20 de chaux preacutesente une meilleure homogeacuteneacuteiteacute que les autres

mateacuteriaux Lorsque lrsquoon fait un zoom sur lrsquoimage Figure IV-22-c on observe une bonne

reacutepartition des deux phases identifieacutees

La Figure IV-23 montre les images en contraste chimique des diffeacuterents mateacuteriaux eacutelaboreacutes

agrave partir des meacutelanges effectueacutes entre la lateacuterite de la troisiegraveme couche et 10 15 et 20 de chaux

On observe que tous les mateacuteriaux eacutelaboreacutes preacutesentent une structure principale composeacutee

drsquoanorthite et des inclusions composeacutees de magneacutetite Par ailleurs la taille des dendrites de

magneacutetite diminue leacutegegraverement avec lrsquoaugmentation de la quantiteacute de chaux


la troisiegraveme couche et diffeacuterentes quantiteacutes de chaux eacuteteinte de BIG a) (LADA3 +10SL) b)


Compte tenu de sa meilleure cristalliniteacute seuls les reacutesultats de leacutechantillon agrave partir du

meacutelange LADA4 avec 20 de chaux eacuteteintes seront eacutetudieacutes dans la suite

325 Comportement thermique des lateacuterites traiteacutees

Apregraves le processus de cristallisation de la lateacuterite de la quatriegraveme couche (LADA4) le

mateacuteriau obtenu a eacuteteacute thermiquement eacutetudieacute en couplant TG et DSC afin dobserver les

eacuteventuelles transformations de la tempeacuterature ambiante jusquagrave 900 degC Le comportement

Anorthite (CaAl2Si2O8)

Magneacutetite

(Fe3O4)

a) b) c)

Chapitre IV 132

thermique de la ceacuteramique eacutelaboreacutee agrave partir de lateacuterite de couche infeacuterieure et 20 de chaux

eacuteteintes (LADA4 + 20 SL) est preacutesenteacute par la Figure IV-24

Figure IV-24 Courbes TGDSC du mateacuteriau eacutelaboreacute agrave partir de meacutelange de lateacuterite de la

couche infeacuterieure avec 20 de chaux eacuteteintes (LADA4+20SL)

On constate que la ceacuteramique obtenue est stable apregraves traitement par les diffeacuterents cycles En

effet leacutechantillon de lateacuterite preacutesente une perte de poids de 4 apregraves le premier cycle Un leacuteger

deacutecalage est enregistreacute vers 300 degC lors du chauffage Cette variation de flux est en fait un

arteacutefact ducirc agrave la reacuteaction drsquoimpureteacute preacutesente dans le creuset Toutefois une variation de lordre

de 01 en masse est observeacutee apregraves le deuxiegraveme cycle ce qui indique une stabiliteacute du mateacuteriau

obtenu Par conseacutequent une stabilisation de la masse peut ecirctre envisageacutee apregraves plusieurs cycles

successifs

Le comportement thermique du meacutelange composeacute de la lateacuterite de la troisiegraveme couche et

20 de chaux a eacutegalement eacuteteacute eacutetudieacute La Figure IV-25 montre lrsquoeacutevolution de la variation de la

masse et du flux de chaleur du meacutelange en fonction de la tempeacuterature jusqursquoagrave 900 degC La

variation de la perte de masse nrsquoexcegravede pas 15 Ce qui est tout agrave fait satisfaisant De plus

comme pour le meacutelange issu de la quatriegraveme couche (Figure IV-24) aucun pic significatif de

chaleur nrsquoa eacuteteacute enregistreacute sur la courbe DSC

Chapitre IV 133


troisiegraveme couche avec 20 de chaux eacuteteinte (LADA3+20SL)

On observe par ailleurs sur la courbe DSC un leacuteger deacutecrochage entre 200 et 300 degC pendant le

chauffage Ce deacutecrochage est certainement le reacutesultat drsquoun artefact Neacuteanmoins le mateacuteriau peut

ecirctre consideacutereacute comme stable et utilisable sur toute la plage de tempeacuterature eacutetudieacutee

Ces reacutesultats montrent que les mateacuteriaux restent pratiquement stables au cours des eacutetapes

de chauffage et de refroidissement Cette stabiliteacute est probablement due agrave la preacutesence de la

structure de la phase anorthite qui est consideacutereacutee comme reacutefractaire Ce qui confirme la

possibiliteacute drsquoeacutelaborer des ceacuteramiques reacutefractaires agrave basse tempeacuterature agrave partir de matiegravere

premiegravere recycleacutee Drsquoougrave la validiteacute de notre approche et donc la possibiliteacute drsquoeacutelaborer des

ceacuteramiques reacutefractaires agrave des tempeacuteratures plus basses agrave partir de cette ressource

33 Eacutelaboration agrave partir de meacutelange de cendre de foyer et de la chaux de BIG


Dans le mecircme ordre drsquoideacutee que les formulations effectueacutees avec la lateacuterite plusieurs

meacutelanges de cendre de foyer avec diffeacuterentes quantiteacutes de chaux (5 10 15 20 30) de BIG ont

eacuteteacute formuleacutes Les meacutelanges formuleacutes indiquent sur le diagramme ternaire des ceacuteramiques (CaO

Al2O3 SiO2) comme on peut le remarquer sur la Figure IV-26 la possibiliteacute drsquoeacutelaborer des

ceacuteramiques drsquoanorthite

Chapitre IV 134

Figure IV-26 Potentiel drsquoeacutelaboration de ceacuteramique agrave partir des meacutelanges des cendres de foyer

avec la chaux de BIG

Dans le mecircme esprit que les meacutelanges preacuteceacutedents (lateacuterites et chaux) les mecircmes

traitements thermiques ont eacuteteacute utiliseacutes agrave la diffeacuterence pregraves que le palier a eacuteteacute effectueacute agrave 1200 degC

Cela en raison du point de fusion eacuteleveacute des cendres de foyer En effet les analyses TGDSC des

cendres de foyer ont reacuteveacuteleacute que la tempeacuterature de cristallisation du mateacuteriau est aux alentours de

1200 degC

332 Caracteacuterisation structurale par des eacutechantillons traiteacutes

La Figure IV-27 preacutesente les reacutesultats des diffeacuterents eacutechantillons Les diffractogrammes

des eacutechantillons traiteacutes apregraves traitement thermique de cristallisation montrent la preacutesence

drsquoanorthite dans tous les meacutelanges On remarque eacutegalement que plus la quantiteacute de chaux

augmente plus les pics repreacutesentatifs de lrsquoanorthite sont intenses De plus certains pics

apparaissent agrave partir de 10 de chaux Ce qui laisse penser une meilleure cristalliniteacute pour les

meacutelanges avec au moins 10 de chaux Cependant agrave partir de 20 la diffeacuterence est peu

significative De faccedilon speacutecifique lrsquoeacutechantillon BA+20 SL montre une meilleure cristalliniteacute

Ce qui peut induire de meilleures proprieacuteteacutes pour ce meacutelange

Bottom ash


Slaked lime

Chapitre IV 135

Figure IV-27 Diffractogramme des mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de meacutelange de cendres de foyer

avec diffeacuterente proportion de chaux (5 10 15 20 et 30)

Dans le domaine de la ceacuteramique de lanorthite est consideacutereacutee comme un eacuteleacutement essentiel des

mateacuteriaux de substrat il est eacutegalement consideacutereacute comme une phase reacutefractaire Ce reacutesultat est

dune grande importance dans le contexte de leacutelaboration de TESM en utilisant les cendres de

foyer et la chaux eacuteteinte pour la formation danorthite et de la magneacutetite qui peuvent offrir

respectivement un effet de stabiliteacute et de conductiviteacute sur les proprieacuteteacutes du mateacuteriau La

formation de ces phases est en conformiteacute avec ce que nous propose le diagramme ternaire des

ceacuteramiques

333 Analyse morphologique des mateacuteriaux eacutelaboreacutes

A la suite des reacutesultats de lrsquoanalyse structurale les eacutechantillons ayant une bonne

cristalliniteacute ont eacuteteacute seacutelectionneacutes pour lrsquoanalyse morphologique La Figure IV-28 preacutesente lrsquoimage

en contraste chimique des mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir du meacutelange de cendres de foyer avec

respectivement 10 15 et 20 de chaux

Figure IV-28 Image en contraste chimique du mateacuteriau eacutelaboreacute agrave partir de meacutelange de cendres

de foyer avec la chaux a) BA b) BA+10SL c) BA+15SL d) BA+20SL

a) b) c) d)

Chapitre IV 136

Lrsquoanalyse de lrsquoimagerie montre que la structure initiale des cendres de foyers qui est en grande

partie amorphe laisse progressivement la place agrave la structure cristalline de lrsquoanorthite On

constate que lrsquoanorthite prend de plus en plus forme avec lrsquoaugmentation de la chaux Ce qui

tend agrave confirmer le fait que le meacutelange agrave 20 de chaux semble ecirctre le plus inteacuteressant du point

de vue de la morphologie et de la structure Par ailleurs ce meacutelange permet de valoriser une part

importante de la chaux de BIG tout en permettant drsquoavoir des phases cristallines aptes au

stockage de la chaleur


Comme on peut le voir sur la Figure IV-27 les meacutelanges avec plus de 15 de chaux ont

une meilleure cristalliniteacute Ainsi nous avons choisi drsquoeacutevaluer le comportement thermique de lrsquoun

de ses mateacuteriaux agrave savoir le meacutelange de cendre de foyer et 20 de chaux eacuteteintes (BA+20SL)

La Figure IV-29 preacutesente le comportement thermique du meacutelange formuleacute Aucun effet

thermique significatif na eacuteteacute observeacute dans toute la gamme thermique potentiellement concerneacutee

par les centrales solaires (jusquagrave 900 degC) En effet aucune perte importante de poids pendant la

variation de tempeacuterature au cours des deux cycles successifs jusquagrave 900 degC nrsquoa eacuteteacute observeacutee

Toutefois un leacuteger pic est preacutesent agrave 500 degC et reproductible drsquoune transition de phase Ce leacuteger

pic est moins prononceacute au second cycle et devrait avoir un faible impact sur la stabiliteacute

thermique Cette stabiliteacute est probablement due agrave la preacutesence danorthite la structure observeacutee

preacuteceacutedemment

Figure IV-29 Courbes TGDSC des ceacuteramiques eacutelaboreacutees agrave partir de meacutelange de cendres de

foyer avec 20 de chaux (BA+20 SL)

Une stabilisation de la masse devrait par conseacutequent ecirctre observeacutee apregraves dautres cycles Ces

reacutesultats montrent que le mateacuteriau reste pratiquement stable au cours des phases de chauffage et

de refroidissement Par conseacutequent le mateacuteriau eacutelaboreacute peut ecirctre consideacutereacute comme stable sous

Pe

rte

de

mas

se (

)

Flu

x d

e c

hal

eu

r (micro

V)

Chapitre IV 137

chauffage et peut ecirctre probablement utiliseacute comme mateacuteriau de stockage thermique agrave la fois pour

les centrales cylindro-paraboliques et les centrales agrave tour qui fonctionnent respectivement autour

de 400 degC et 800 degC

La valorisation de ces deux mateacuteriaux consideacutereacutes comme des deacutechets industriels est non

seulement importante pour les CSP mais eacutegalement pour les entreprises qui sont agrave la recherche

de nouvelles voies de valorisation de ces deacutechets Drsquoautre part la mise en place de dispositif de

traitement proche des carriegraveres peut permettre le deacuteveloppement de nouvelle activiteacute geacuteneacuteratrice

de revenus pour les populations riveraines

34 Eacutelaboration de mateacuteriaux agrave partir de meacutelange lateacuterite et macircchefers

341 Approche et protocole expeacuterimental drsquoeacutelaboration agrave partir de meacutelanges de la

lateacuterite de la premiegravere couche et des cendres de foyer

Dans les premiegraveres parties de la Section3 de ce chapitre lrsquoobjectif eacutetait de reacuteduire la

tempeacuterature de fusion en valorisant un autre deacutechet Toutefois lorsque nous analysons de plus

pregraves la composition chimique des lateacuterites particuliegraverement celle de la premiegravere couche

(LADA1) drsquoune part et celle des cendres de foyer drsquoautre part on constate que ces deux

mateacuteriaux peuvent ecirctre compleacutementaires En effet en combinant les deux mateacuteriaux de faccedilon

adeacutequate il est possible drsquoobtenir de la mullite avec des phases composeacutees de fer comme

lrsquoheacutematite comme on peut le remarquer sur la Figure IV-30

Figure IV-30 Potentiel drsquoeacutelaboration de ceacuteramique agrave partir des meacutelanges des cendres de

foyer(BA) avec la lateacuterite de la premiegravere couche (LADA1)

Les lateacuterites et les cendres de foyer ont donc eacuteteacute meacutelangeacutees dans cet objectif Par ailleurs

crsquoest la premiegravere fois qursquoun meacutelange de ces matiegraveres premiegraveres est envisageacute Diffeacuterents

composites de lateacuterite et de cendre de foyer de SONICHAR (LADA1 + BA (25 50 et 75 )) ont

eacuteteacute effectueacutes Lrsquoideacutee est de baliser la plage des phases potentielle entre les deux mateacuteriaux Ces

meacutelanges seront traiteacutes thermiquement pour les densifier et favoriser la formation de phases

cristallines utiles pour les applications viseacutees Le mecircme proceacutedeacute de traitement thermique que

Cendres de foyer (BA)

LADA1

(a)

Chaux de BIG

Cendres de foyer


LADA4

LADA3

LADA2

LADA1

(b)

Chapitre IV 138

celui utiliseacute pour les meacutelanges des cendres de foyer avec la chaux a eacuteteacute utiliseacute dans cette

approche de formulation

342 Caracteacuterisation structurale des ceacuteramiques eacutelaboreacutees agrave partir de meacutelanges de la


La Figure IV-31 preacutesente les diffractogrammes des meacutelanges apregraves fusion et cristallisation

Les reacutesultats montrent que les meacutelanges ont permis drsquoobtenir de la mullite et de lrsquoheacutematite

comme principales phases La cristobalite et le quartz ont eacutegalement eacuteteacute identifieacutes comme phases

mineures Ces phases sont en conformiteacute avec les diagrammes ternaires preacuteceacutedents (Figure

IV-30) Les cendres de foyers eacutetant le mateacuteriau le plus susceptible de se transformer en mullite

on peut en deacuteduire qursquoelle est en partie responsable de la formation de cette derniegravere Une partie

de la silice amorphe contenue dans les cendres de foyer srsquoest transformeacutee en quartz Crsquoest ce

quartz qui se transforme agrave haute tempeacuterature pour donner de la cristobalite La preacutesence de

quartz reacutesiduel indique que tout le quartz ne srsquoest pas transformeacute pendant le traitement

thermique Lrsquoheacutematite quant agrave elle provient de la lateacuterite soit par transformation de la goethite ou

directement de lrsquoheacutematite initialement preacutesente dans la lateacuterite

Figure IV-31 Diffractogramme des ceacuteramiques eacutelaboreacutees agrave partir de meacutelange de Lateacuterite de

premiegravere couche (LADA1) et diffeacuterents pourcentages (25 50 et 75) de cendres de foyer

La mullite est une phase reacutefractaire tandis que lrsquoheacutematite est consideacutereacutee comme une phase

conductrice Comme pour les mateacuteriaux preacutecegravedent cette combinaison de phase reacutefractaire et de

phase conductrice est tregraves avantageuse pour le mateacuteriau et devrait contribuer agrave ameacuteliorer ses

proprieacuteteacutes

343 Analyse morphologique des ceacuteramiques eacutelaboreacutees agrave partir de meacutelanges de lateacuterite

de la premiegravere couche et des cendres de foyer

Chapitre IV 139

La Figure IV-32 illustre lrsquoimage en contraste chimique du meacutelange de lateacuterite de la

premiegravere couche avec diffeacuterents pourcentages de cendre de foyer apregraves le traitement thermique

de cristallisation Lrsquoanalyse morphologique montre la preacutesence drsquoun reacuteseau dendritique dans la

matrice principale plus visible dans le cas du meacutelange agrave 25 de cendres de foyer Les deux

autres meacutelanges ne preacutesentent pas de morphologies typiques agrave lrsquoeacutechelle 10 microm Toutefois

lorsque lrsquoon regarde de plus pregraves (agrave lrsquoeacutechelle 1 microm) particuliegraverement dans le cas du meacutelange

avec 50 de cendres de foyer on remarque la mecircme structure que celle du meacutelange agrave 25 Cela

nrsquoest par contre pas le cas pour le meacutelange agrave 75 de cendres de foyer Les analyses chimiques

des diffeacuterentes formes identifieacutees indiquent que les formes de couleurs fonceacutees sont

principalement composeacutees drsquooxyde de fer Ce qui permet de conclure que cette phase est

probablement de lrsquoheacutematite comme identifieacutee par les analyses DRX Lrsquoanalyse chimique de la

seconde forme identifieacutee correspond agrave la mullite

Figure IV-32 Image en contraste chimique de la ceacuteramique eacutelaboreacutee agrave partir de meacutelange de la

lateacuterite de la premiegravere couche et les cendres de foyer a) LADA1+25BA b) LADA1+50BA c)

LADA1+75BA

On en conclut que le meacutelange agrave 25 de cendres de foyer est composeacute drsquoun reacuteseau dendritique

drsquoheacutematite dans la matrice principale de mullite Cependant les autres phases cristallines

identifieacutees au DRX comme le quartz et la cristobalite nrsquoont pas eacuteteacute observeacutees au MEB Cela peut

srsquoexpliquer par le fait que ses phases sont minoritaires par rapport aux deux autres Neacuteanmoins

on peut envisager au regard des phases principales de bonnes proprieacuteteacutes thermiques pour les

mateacuteriaux eacutelaboreacutes Ainsi le meacutelange de lateacuterite de la premiegravere couche avec 25 de chaux

eacuteteintes a eacuteteacute choisi pour la suite

344 Comportement thermique de la ceacuteramique eacutelaboreacutee agrave partir de meacutelanges de


Le comportement thermique de lrsquoeacutechantillon seacutelectionneacute (LADA1+25BA) a eacuteteacute eacutetudieacute

afin de deacutefinir sa plage drsquoutilisation Les reacutesultats des analyses TGDSC effectueacutees jusqursquoagrave

1500 degC sont preacutesenteacutes sur la Figure IV-33 On observe de faccedilon globale deux zones sur le

graphe Une zone dite stable correspondant agrave la partie situeacutee avant 800 degC ou aucune reacuteaction

particuliegravere nrsquoest observeacutee sur lrsquoeacutechantillon Elle est caracteacuteriseacutee par une petite perte de masse de

lrsquoordre de 02 puis une augmentation drsquoenviron 03 de la masse La perte de masse est

probablement le deacutepart de lrsquoeau libre alors que la baisse est le reacutesultat de la reacuteaction des oxydes

meacutetalliques avec lrsquooxygegravene Il est donc recommandeacute drsquoutiliser le mateacuteriau dans cette plage de

a) b) c)Heacutematite (Fe3O4)

Mullite (Al565Si035O9175)



Chapitre IV 140

tempeacuterature Ceux drsquoautant plus que les effets observeacutes dans cette plage de tempeacuterature sont

pratiquement les mecircme pendant le chauffage et le refroidissement

Figure IV-33 Courbe TGDSC de la ceacuteramique eacutelaboreacutee agrave partir de meacutelange Lateacuterite de la

premiegravere couche et 25 de cendres de foyer (LADA1+25BA)

Cependant au-delagrave de 800 degC plusieurs reacuteactions sont observeacutees sur les courbes TGDSC

On srsquoattendrait agrave ce que le mateacuteriau soit aussi stable agrave 900 degC comme pour tous les autres

mateacuteriaux contenant de lrsquoanorthite Deux hypothegraveses peuvent expliquer ce comportement Dans

une premiegravere hypothegravese il est probable que la forte teneur en fer preacutesent dans la lateacuterite de la

premiegravere couche ne facilite pas la transformation complegravete de la mullite Une seconde hypothegravese

suggegravere que la faible proportion de mullite serait eacutegalement due agrave la petite quantiteacute de cendre de

foyer par rapport agrave la lateacuterite Ces reacutesultats sont tout de mecircme inteacuteressants pour les systegravemes de

stockage fonctionnant en dessous de 800 degC Ce qui est largement suffisant pour les systegravemes de

stockage actuels

4 Potentiel des mateacuteriaux eacutelaboreacutes pour le stockage

thermique Comparaison aux mateacuteriaux conventionnels

Au vu des reacutesultats tant sur mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de matiegraveres premiegraveres uniques que

pour ceux eacutelaboreacutes agrave partir de meacutelanges le potentiel de ces mateacuteriaux en termes de stockage de

la chaleur semble eacuteleveacute Cependant il faut souligner que mecircme si les proprieacuteteacutes thermo-

physiques des lateacuterites ont eacuteteacute mesureacutees cela nrsquoa pas eacuteteacute le cas des mateacuteriaux eacutelaboreacutes Cet eacutetat

de fait est ducirc agrave la taille des mateacuteriaux eacutelaboreacutes trop petite (de lrsquoordre du cm) pour ecirctre caracteacuteriseacute

par les techniques de mesure utiliseacutees Malgreacute cette contrainte les proprieacuteteacutes thermo-physiques

attendues et le coucirct des mateacuteriaux eacutelaboreacutes ont eacuteteacute estimeacutes et compareacutes aux mateacuteriaux de

stockage conventionnels Les reacutesultats obtenus peuvent tout de mecircme contribuer agrave appreacutehender

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

99

100

100

101

101

102

102

103

100 300 500 700 900 1100 1300 1500

Flu

x d

e ch

ale

ur

(microV

)

Vari

ati

on

de

mass

e (

)


TG

DSC

T= 800 C

Zone de transition

Zone Stable

Chapitre IV 141

le potentiel de transformation dautres deacutechets solides en des produits ayant une forte valeur

ajouteacutee pour de nouveaux marcheacutes

Drsquoapregraves Clauser et al [123] il est possible dobtenir des proprieacuteteacutes thermo-physiques des

mateacuteriaux cristalliseacutes comme les roches agrave partir de la meacutethode indirecte Comme les roches les

ceacuteramiques sont principalement composeacutees de phases cristallines et peuvent alors ecirctre

consideacutereacutees comme similaires Ainsi sur la base de leur composition structurale certaines

proprieacuteteacutes des mateacuteriaux peuvent ecirctre estimeacutees Les proprieacuteteacutes thermo-physiques attendues des

mateacuteriaux eacutelaboreacutes sont donneacutees par le

Chapitre IV 142

Tableau IV-2 comparaison des proprieacuteteacutes thermo-physiques escompteacutees agrave celles des ceacuteramiques techniques et issues drsquoautres deacutechets

Mateacuteriaux Ceacuteramique

haute

tempeacuterature

[50]

Ceacuteramique

de deacutechets

amianteacutes

[250]

Ceacuteramique

de cendres

volantes

[249]

Ceacuteramique

de cendres

volantes

+20 de

chaux [249]

LADA4

+20 SL

Ceacuteramique

des cendres

de foyer de

SONICHAR

BA+ 20 SL LADA1+25

BA

Composition Mullite Augite

Wollastonite

Mullite Anorthite Anorthite

Magnetite


Magnetite

Limite

T [degC] le 1000 le 700 le 1000 le 1000 le 900

a le 900a le 900

a le 750a

ρ

[kgmiddotm-3

] 3500 3120 2600 2760 3150

b 2640

b 2620

b 2870

b

Cp

[Jmiddotm-3

middotK-1

)] 866 860-1034 741-1300 700-1300 672

e-1047

e 710-1250 640

c-960

e 700

e-1200

e

ρtimesCp

[kJmiddotm-3

middotK-1

)] 3031 2496-3226 1911-3400 1932-3500 2100e-3300

e 1870

e-2640

e 1680

c-2515

e 1970

e-2700

e

λ

[Wmiddotm-1

middotK-1

)] 135 21-14 11-21 12-25 16

c-31

c 24-48

10-28 28

c-42

c

a

[10-6

middotK-1

] 118 88 4 - 21

e 4-185

e 185

e 27

e

Prix

[euromiddott-1

]) 4500-9000 80-100 10-1200 10-1200 10

d-430 0-420 0-420 10

d-430

wollastonite (CaSiO3) augite (CaMgSi2O6) Anorthite (CaAl2Si2O8) Magnetite (Fe3O4) Mullite (3Al2O3 2SiO2) a Obtenues agrave partir des courbes TGDSC

b Valeurs obtenues agrave partir des mesures effectueacutees au pycnomegravetre MicroMeritics AccuPyc 1330

c Calculeacute agrave partir des proprieacuteteacutes thermiques de la magneacutetite et de lrsquoanorthite provenant de [123248255]

d Coucirct du mateacuteriau brut eacutevalueacute lors des preacutelegravevements des eacutechantillons sur le site de Dano

e Calculeacute agrave partir des proprieacuteteacutes de lrsquoanorthite provenant de [125255]

f Les valeurs ont eacuteteacute eacutevalueacutees en prenant compte une soliditeacute de 80

Chapitre IV 143

Sur le Tableau IV-2 la capaciteacute thermique est preacutesenteacutee agrave la fois en terme de masse et de

volume le coucirct dinvestissement correspondant est habituellement baseacute sur le poids tandis que le

volume correspondant est dun grand inteacuterecirct pour la conception de luniteacute de stockage On peut

aiseacutement remarquer que les trois ceacuteramiques eacutelaboreacutees preacutesentent des proprieacuteteacutes thermiques

similaires agrave celles des ceacuteramiques industrielles preacutesenteacutees dans le Tableau IV-2 La masse

volumique des ceacuteramiques de mullite et drsquoanorthite eacutelaboreacutees dans nos travaux est

respectivement proche de celles eacutelaboreacutees agrave partir de cendres volantes et de cendres volantes

meacutelangeacutees agrave la chaux Par conseacutequent le modegravele utiliseacute et les hypothegraveses eacutemises pourraient

repreacutesenter avec une bonne approximation les autres proprieacuteteacutes thermophysiques Les proprieacuteteacutes

thermiques viseacutees des mateacuteriaux eacutelaboreacutes suggegraverent une conductiviteacute thermique drsquoau moins

14 Wmiddotm-1

middotK-1

et une densiteacute deacutenergie drsquoau moins 26 MJmiddotm-3

middotK-1

La masse volumique mesureacutee

des phases comme lrsquoanorthite est proche de celle de la phase pure [125] Pour la seacutelection des

mateacuteriaux solides pour le stockage de la chaleur les proprieacuteteacutes thermiques telles que la capaciteacute

calorifique volumeacutetrique ρtimesCp et la conductiviteacute thermique λ devraient respectivement ecirctre

supeacuterieures agrave et 2 MJmiddotm-3

middotK-1

et 1 Wmiddotm-1

middotK-1

Drsquoautre part lorsque nous comparons ces donneacutees

agrave celles des mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de cendre volante par Kere [249] on constate que les

proprieacuteteacutes obtenues ne diffegraverent pas eacutenormeacutement Les mateacuteriaux eacutelaboreacutes dans notre thegravese

(LADA4 +20 SL et BA+ 20 SL) et ceux des travaux de Kereacute contiennent tous de lrsquoanorthite

Ainsi au mecircme titre que les mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de cendre volante ou de laitier [249251]

les mateacuteriaux eacutelaboreacutes ici sont de bons candidats pour le stockage de la chaleur Ces reacutesultats

deacutemontrent le potentiel eacuteleveacute de telles ceacuteramiques

Concernant le coucirct des mateacuteriaux nous avons consideacutereacute les hypothegraveses suivantes Les cendres

volantes de SONICHAR sont gratuites car deacuteverseacutees dans les deacutecharges Cela est eacutegalement le

cas de la chaux de BIG Le prix drsquoachat de la lateacuterite a eacuteteacute estimeacute agrave 10 euromiddott-1

Ces prix ne prennent

pas en compte le transport en cas drsquoutilisation des mateacuteriaux loin des lieux drsquoextraction De ce

fait les lieux de traitement de ces mateacuteriaux doivent ecirctre le plus proche possible de la ressource

Le fait que la plupart de ces mateacuteriaux sont disponibles comme on a pu le voir dans le

chapitre 2 dans les zones ou le potentiel drsquoimplantation des CSP inteacuteressant Ainsi la fusion des

eacutechantillons se fait par eacutenergie solaire agrave concentration dont la ressource est disponible dans la

sous-reacutegion Le coucirct de traitement de recuit au four eacutelectrique pris en compte dans lrsquoestimation

du prix des mateacuteriaux est eacutevalueacute entre 390 et 420 euromiddott-1

Cette valeur correspond agrave un recuit de

1100 degC ou 1200 degC agrave lrsquoambiante avec vitesse de 1 degCmiddotmin-1

dans un four de 15 kW de 002 m3

de volume Le coucirct moyen du kWh est estimeacute agrave 100 FCFA au Burkina Faso Le coucirct du mateacuteriau

final est donc compris entre 10 et 430 euromiddott-1

pour le mateacuteriau LADA4 + 20 SL Le coucirct du

traitement repreacutesente plus de 95 du prix du mateacuteriau Il est toutefois utile de signaler que mecircme

si tous les facteurs entrants dans lrsquoeacutevaluation du coucirct de fabrication de tels mateacuteriaux nrsquoont pas

eacuteteacute pris en compte les coucircts preacutesenteacutes ici restent tregraves faibles compareacutes aux ceacuteramiques

industrielles dont le prix varie entre 4500 et 9000 euromiddott-1

Par ailleurs le coucirct des ceacuteramiques issues

des cendres volantes est relativement faible en raison du fait que crsquoest la loi du pollueur-payeur

qui est appliqueacutee dans ce cas de figure

Toutefois mecircme si une partie de lrsquoeacutenergie pour lrsquoeacutelaboration provient directement du solaire

une bonne partie doit encore ecirctre fournie par les centrales eacutelectriques Par ailleurs pour des

traitements de recuits sans fusion comme cela est le cas pour les lateacuterites il est en lrsquoeacutetat actuel de

la technologie pas possible de faire des traitements de recuits par voie solaire Par conseacutequent

Chapitre IV 144

une autre voie de traitement thermique agrave haute tempeacuterature est neacutecessaire Cela peut ecirctre reacutealiseacute

en utilisant des fours de cuisson traditionnels locaux qui peuvent atteindre des tempeacuteratures

comprises entre 400 et 1000 degC [195256] (Figure IV-34) En effet ce type de four est largement

utiliseacute dans les pays de la reacutegion pour lrsquoeacutelaboration de ceacuteramiques traditionnelles

Figure IV-34 Four artisanal utiliseacute pour la cuisson du pain agrave Dano au Burkina Faso

Cette approche compleacutementaire de traitement thermique pourrait offrir de nouvelles opportuniteacutes

dactiviteacutes eacuteconomiques agrave la population par lrsquoutilisation de mateacuteriaux disponibles localement

pour produire des TESM durables neacutecessaires agrave la mise en œuvre des eacutenergies renouvelables Le

coucirct du mateacuteriau de stockage ne pourrait qursquoen ecirctre reacuteduit Toutefois la mise en place de ce type

de traitement neacutecessite une maitrise du comportement thermique de ces fours Cela passe

neacutecessairement par lrsquoinstrumentation et la caracteacuterisation de ces fours de faccedilon agrave comprendre et

controcircler leur cineacutetique de chauffage et de refroidissement

5 Vers une eacutelaboration agrave plus grande eacutechelle

Si les reacutesultats obtenus agrave petites eacutechelles nous laissent envisager des perspectives

encourageantes lrsquoeacutelaboration de module de stockage comme les billes ou les plaques peut

engendrer des problegravemes dus au changement drsquoeacutechelle Dans les systegravemes de stockage utilisant

les mateacuteriaux comme la ceacuteramique pour stocker la chaleur il est tregraves souvent souhaitable drsquoavoir

des mateacuteriaux de dimensions voisines de 10 cmtimes10 cmtimes2 cm [16] commodes pour ce stockage

Toutefois avant de passer agrave lrsquoeacutelaboration des modules de cet ordre de grandeur nous avons jugeacute

utile de commencer par des essais agrave des tailles intermeacutediaires Les reacutesultats obtenus pourront ecirctre

extrapoleacutes pour passer agrave une taille supeacuterieure Comme nous lrsquoavons indiqueacute dans la section 1 de

ce chapitre la meacutethode petrurgique est la plus indiqueacutee pour lrsquoeacutelaboration de ces modules et sera

donc utiliseacutee

51 Eacutelaboration par la meacutethode petrurgique agrave moyenne eacutechelle

511 Mateacuteriel et meacutethode

Chapitre IV 145

Afin de mener cette eacutetude nous avons choisi au regard des reacutesultats issus des diffeacuterentes

formulations de travailler avec le meacutelange composeacute de la lateacuterite de la quatriegraveme couche et de

20 de chaux de BIG (LADA4+20SL) Comme deacutejagrave mentionneacute tandis que les cendres

volantes brutes peuvent ecirctre facilement fondues agrave haute tempeacuterature le produit obtenu est trop

visqueux pour permettre le moulage et la mise en forme aiseacutee Le choix de ce meacutelange tient

compte agrave la fois de la qualiteacute de la structure observeacutee preacuteceacutedemment et du potentiel de reacuteduction

de la tempeacuterature de fusion par lrsquointroduction de la chaux de BIG

Environ 100 g du meacutelange a eacuteteacute introduit dans un creuset en alumine de 3 cm de diamegravetre

La Figure IV-35 deacutecrit le programme de test inteacutegreacute au four pour reacutepondre agrave la meacutethode

petrurgique Signalons toutefois que cette meacutethode a eacuteteacute partiellement modifieacutee afin de prendre

en compte la singulariteacute des produits du meacutelange Le meacutelange a eacuteteacute introduit au four eacutelectrique et

porteacute agrave 120 degC pendant 2 h afin drsquoeacutevacuer toute lrsquoeau preacutesente Par la suite le meacutelange est porteacute agrave

900 degC avec une vitesse de 5 Cmiddotmin-1

pour y rester pendant 2 h A cette tempeacuterature le Ca(OH)2

et le CaCO3 contenus dans la chaux de BIG se sont deacutejagrave transformeacutes en CaO En respectant le

palier de 2 h on srsquoassure que la formation du CaO est complegravete

Figure IV-35 Proceacutedure drsquoeacutelaboration par la meacutethode petrurgique agrave partir du meacutelange

composeacute de lateacuterite de quatriegraveme couche et de 20 de chaux de BIG (LADA4+20SL)

Apres cette eacutetape le meacutelange est chauffeacute jusqursquoagrave 1250 degC avec une vitesse de 5 Cmiddotmin-1

Cette

tempeacuterature est leacutegegraverement supeacuterieure agrave la tempeacuterature de fusion du mecircme meacutelange (Figure

IV-19) Le meacutelange est ensuite maintenu agrave 1250 degC pendant 10 h pour ecirctre refroidi par la suite

avec une vitesse de 1 degCmiddotmin-1


512 Reacutesultats et discussion

La Figure IV-36 preacutesente le mateacuteriau de stockage obtenu apregraves le proceacutedeacute ci-dessus deacutecrit

On remarque sur la Figure IV-36-a qursquoil ne reste plus qursquoune petite quantiteacute de mateacuteriaux agrave la fin

du traitement Cela est ducirc agrave la perte de masse de la lateacuterite (12) et de la chaux (35) tout cela

combineacute agrave la densification du mateacuteriau lors du traitement En effet comme on lrsquoobserve sur la

1250 C

2 h

2 h 10 h

120 C

Temps

Tem

peacuter

atu

re

2 h

900 C

Chapitre IV 146

Figure IV-3636-b le mateacuteriau obtenu se preacutesente sous forme compacte avec une absence de

porositeacute

Figure IV-36 a) Meacutelange de lateacuterite de la quatriegraveme couche et de 20 de chaux de BIG

(LADA4+20SL) eacutelaboreacute par la meacutethode petrurgique au four eacutelectrique b) Zoom sur la structure du

mateacuteriau obtenu

Sur la Figure IV-37-a on constate que comme pour le mecircme meacutelange eacutelaboreacute par la

meacutethode de deacutevitrification agrave lrsquoaide du proceacutedeacute hybride le mateacuteriau eacutelaboreacute par la meacutethode

petrurgique au four eacutelectrique est principalement composeacute drsquoanorthite (CaAl2Si2O8) et de

magneacutetite (Fe3O4) Cela signifie que le Ca(OH)2 et le CaCO3 contenu dans la chaux de BIG se

sont effectivement transformeacutes en CaO drsquoougrave la formation de lrsquoanorthite La magneacutetite est aussi

observeacutee sur le diffractogramme et est le reacutesultat de la transformation de la goethite preacutesente

dans la lateacuterite On se serait attendu agrave avoir de lrsquoheacutematite Il se pourrait donc que la formation de

la magneacutetite soit plus favorable en preacutesence des deacuteriveacutees du calcium

Figure IV-37 Caracteacuterisation structurale et morphologique du mateacuteriau eacutelaboreacute par la

meacutethode petrurgique au four eacutelectrique agrave partir de meacutelange de lateacuterite de quatriegraveme couche et de 20

de chaux de BIG (LADA4+20SL a) Diffractogramme b) Image en contraste chimique

3 cm

a) b)

b)a)


Magneacutetite (Fe3O4)

Chapitre IV 147

La Figure IV-37-b preacutesente lrsquoimage en contraste topographique du mateacuteriau reacutealiseacute La structure

observeacutee est organiseacutee en forme de damier dont la matrice principale est lrsquoanorthite et les

inclusions de la magneacutetite comme celui issu de la voie par deacutevitrification Les dendrites de

magneacutetite sont de lrsquoordre du micromegravetre Par ailleurs la reacutepartition des phases est homogegravene sur

la quasi-totaliteacute de lrsquoeacutechantillon

Le mateacuteriau obtenu a eacuteteacute testeacute thermiquement par lrsquoanalyse thermogravimeacutetrique coupleacutee agrave

la calorimeacutetrie diffeacuterentielle agrave balayage du laboratoire PROMES afin de mettre en eacutevidence

drsquoeacuteventuelle transformation ou reacuteactions A ce dessein le mateacuteriau a eacuteteacute chauffeacute de la

tempeacuterature ambiante jusqursquoagrave 900 degC Le comportement thermique du meacutelange indique comme

on peut le remarquer sur la Figure IV-38 que le mateacuteriau est stable jusqursquoagrave 900 degC En effet la

variation de masse observeacutee sur la courbe thermogravimeacutetrique ne preacutesente qursquoune variation de

la masse de 1 Par ailleurs lrsquoeacutevolution du flux de chaleur ne preacutesente pas de pic significatif

mis agrave part le leacuteger pic observeacute entre 200 et 300 degC

Figure IV-38 Comportement thermique du mateacuteriau eacutelaboreacute par la meacutethode petrurgique au

four eacutelectrique agrave partir de meacutelange de lateacuterite de quatriegraveme couche et de 20 de chaux de BIG

(LADA4+20SL)

Au regard de la similitude observeacutee au niveau de la structure et de la morphologie avec le

mecircme meacutelange eacutelaboreacute par la meacutethode de deacutevitrification agrave lrsquoaide du proceacutedeacute hybride et la

meacutethode petrurgique le comportement thermique du mateacuteriau issu de cette derniegravere meacutethode

drsquoeacutelaboration devrait ecirctre pratiquement le mecircme Par conseacutequent nous pouvons envisager une

utilisation du mateacuteriau dans la plage de tempeacuterature de fonctionnement de tous les types de CSP

crsquoest agrave dire jusqursquoagrave 900 degC

52 Eacutelaboration de module de stockage par la meacutethode peacutetrurgique

Chapitre IV 148

A la suite des reacutesultats observeacutes apregraves lrsquoeacutelaboration dans le creuset en alumine de 3 cm

nous sommes donc passeacutes agrave lrsquoeacutelaboration de module de stockage proprement dit Notons que le

proceacutedeacute drsquoeacutelaboration de module de stockage de nos mateacuteriaux que nous avons utiliseacute est

similaire agrave celui du proceacutedeacute de fusion du Cofalit [16] Le proceacutedeacute drsquoeacutelaboration peut ecirctre deacutecrit

en deux phases

La Figure IV-39 deacutecrit les eacutequipements utiliseacutes pendant la premiegravere phase du proceacutedeacute

Apregraves avoir eacutecraseacute les eacutechantillons de lateacuterites ceux-ci ont eacuteteacute meacutelangeacutes agrave la chaux de BIG

Environ 3 kg du meacutelange est introduit dans un creuset en argile-graphite pour effectuer la fusion

au four eacutelectrique Le four eacutelectrique de fusion basculant modegravele KC 215 de Nabertherm du

laboratoire de PROMES a eacuteteacute utiliseacute dans cette expeacuterimentation

Figure IV-39 Equipements pour la preacuteparation et la fusion des eacutechantillons

Toutefois avant de commencer les essais nous avons effectueacute un test agrave blanc afin drsquoune part de

nettoyer le creuset et drsquoautre part de le preacuteparer agrave la contrainte thermique agrave venir Ainsi le creuset

vide introduit dans le four basculant sans le meacutelange subit le mecircme traitement thermique que

celui qui sera utiliseacute

Dans une seconde phase apregraves lrsquointroduction de lrsquoeacutechantillon dans le four basculant un

programme de fusion similaire agrave celui de la Figure IV-35 est utiliseacute La Figure IV-41 preacutesente le

protocole de traitement utiliseacute Le protocole se deacutecompose en deux grandes eacutetapes (1) la

preacuteparation et la fusion des eacutechantillons dans un four basculant (2) Le moulage et le recuit du

meacutelange en fusion dans un four eacutelectrique deacutedieacute

Chapitre IV 149

Figure IV-40 Proceacutedure drsquoeacutelaboration des modules de stockage par la meacutethode petrurgique agrave

partir du meacutelange composeacute de la lateacuterite de quatriegraveme couche et de 20 de chaux de BIG

(LADA4+20SL)

Une diffeacuterence est que la tempeacuterature de fusion est cette fois-ci de 1300 degC et est maintenue agrave

cette tempeacuterature pendant 3 h De plus au lieu de maintenir la tempeacuterature agrave 900 degC pendant 2 h

nous avons opteacute pour une tempeacuterature plus eacuteleveacutee agrave 950 degC afin de reacuteduire le temps de maintien

agrave 1 h Le processus de mise en forme proprement dit est expliciteacute par la Figure IV-41 Dans un

premier temps le moule en graphite devant servir agrave la mise en forme est introduit dans le four de

recuit pour ecirctre preacutechauffeacute agrave 1100 degC pendant 10 h Le four Nabertherm de type HT 1616 drsquoune

puissance eacutelectrique de 15 kW est ensuite utiliseacute pour le preacutechauffage du moule et le recuit du

mateacuteriau fondu Ce four permet drsquoatteindre la tempeacuterature de 1600 degC gracircce agrave sa composition agrave

base de MoSi2 Le preacutechauffage permet drsquoeacuteviter de faire subir au moule des chocs thermiques

dommageables Les moules en graphites sont couramment utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des

ceacuteramiques reacutefractaires drsquoune part agrave cause de leurs faibles coefficients de dilatation leur

permettant ainsi drsquoeacuteviter de contraindre la matiegravere lors du refroidissement drsquoautres parts agrave cause

de la reacutesistance du graphite aux tempeacuteratures supeacuterieures agrave 1500 degC Une fois le meacutelange fondu

le moule est extrait du four de recuit pour y introduire le meacutelange en fusion Par la suite le

meacutelange en fusion dans le moule est reacuteintroduit dans le four de recuit afin de permettre la

formation des phases cristallines Le meacutelange est ainsi reacuteintroduit au four et maintenu agrave 1100 degC

pendant 2 h pour ensuite ecirctre refroidi agrave 1 Cmiddotmin-1


1300 C

2 h

2 h 3 h

120 C

Temps

Tem

peacuter

atu

re

1 h

950 C

Fusion au four basculant Recuit

Chapitre IV 150

Figure IV-41 Proceacutedeacute drsquoeacutelaboration de module de stockage par la meacutethode petrurgique

Au terme de trois essais il nrsquoa pas eacuteteacute possible de reacutealiser des modules compacts et non

fissureacutes La Figure IV-42 preacutesente les mateacuteriaux obtenus apregraves le processus de mise en forme

Tout drsquoabord on observe que la plaque obtenue au premier essai preacutesente une forte porositeacute

Cela indique que lors de la couleacutee le meacutelange nrsquoeacutetait pas suffisamment fluide pour passer dans

lrsquoouverture du moule La preacutesence de bulle drsquoair dans le meacutelange en fusion peut en ecirctre la cause

Figure IV-42 Modules obtenus apregraves le processus

Cela peut eacutegalement ecirctre ducirc au temps de seacutejour utiliseacute pour la fusion En effet nous avons utiliseacute

3 h au lieu de 10 h dans le cas preacuteceacutedent Cette dureacutee a eacuteteacute choisie agrave cause des contraintes

techniques Car pour les niveaux de tempeacuterature de traitement utiliseacutes les fours doivent ecirctre

continuellement sur surveillance Drsquoougrave la neacutecessiteacute drsquoeffectuer la mise en forme au cours de la

journeacutee crsquoest-agrave-dire en 12 h On peut penser que la fusion nrsquoa pas eacuteteacute complegravete De plus agrave cette

eacutechelle de masse la prise en compte de la perte de masse des diffeacuterents constituants est

primordiale pour conserver les proportions deacutefinies Neacuteanmoins ces essais permettent

drsquoenvisager la possibiliteacute drsquoeacutelaborer des modules de stockage de grande taille pour les CSP agrave

partir des lateacuterites et de la chaux Par conseacutequent mecircme si ces reacutesultats sont relativement

inteacuteressants ils restent agrave ameacuteliorer

6 Conclusion

Lrsquoobjectif de ce chapitre eacutetait drsquoeacutelaborer des mateacuteriaux de stockage thermique pour les

CSP en Afrique de lOuest agrave partir des ressources identifieacutees dans le chapitre 2 Ces mateacuteriaux

Fig 1 Protocole expeacuterimental drsquoeacutelaboration de module unitaire par refroidissement controcircleacute

Premier essai Troisiegraveme essai

Chapitre IV 151

comprennent la lateacuterite les cendres de foyer et de la chaux eacuteteinte Au regard de leurs

compositions plusieurs meacutelanges ont eacuteteacute effectueacutes pour obtenir des ceacuteramiques reacutefractaires et

moins coucircteuses que les ceacuteramiques industrielles Les phases mineacuterales la morphologie et la

composition chimique ont eacuteteacute eacutetudieacutees apregraves le processus de traitement thermique La stabiliteacute

thermique des mateacuteriaux eacutelaboreacutes a eacuteteacute eacutegalement examineacutee

Les reacutesultats montrent que les phases mineacuterales deacutetecteacutees dans les blocs de lateacuterites apregraves

traitement thermique agrave 1200 degC comprennent de la mullite et de lrsquoheacutematite La transformation de

toute la goethite en heacutematite pourrait par conseacutequent contribuer agrave ameacuteliorer la conductiviteacute

thermique des mateacuteriaux eacutelaboreacutes Ces mateacuteriaux peuvent par conseacutequent ecirctre envisageacutes comme

mateacuteriaux de garnissage dans les systegravemes thermocline La phase spinelle avec inclusion de

structure reacutepeacutetitive de dendrites de la phase magneacutetite a eacuteteacute observeacutee pour les eacutechantillons de

lateacuterites traiteacutees par proceacutedeacute hybride (solaire eacutelectrique) Cette structure srsquoobserve

particuliegraverement dans les eacutechantillons de la quatriegraveme couche Le traitement thermique des

cendres volantes a quant agrave lui permis drsquoeacutelaborer une ceacuteramique composeacutee de mullite La mullite

et le spinelle observeacutes dans des eacutechantillons traiteacutes thermiquement repreacutesentent ainsi une

contribution avantageuse en tant que phases reacutefractaires Ces phases ont montreacute dexcellentes

proprieacuteteacutes thermiques et meacutecaniques dans la gamme des tempeacuteratures allant jusqursquoagrave 1200 degC

Lrsquoutilisation de la chaux eacuteteinte de BIG srsquoest reacuteveacuteleacutee drsquoun grand inteacuterecirct pour la reacuteduction

de la tempeacuterature de fusion des meacutelanges avec lateacuterites Par ailleurs mecircme si cette influence nrsquoa

pas eacuteteacute eacutevalueacutee pour les cendres de foyer les mecircmes tendances peuvent ecirctre envisageacutees En effet

lrsquoanorthite a eacuteteacute identifieacutee comme la principale phase contenue dans les mateacuteriaux issus de ces

meacutelanges Dans le cas particulier des lateacuterites la magneacutetite a aussi eacuteteacute deacutetecteacutee La formation de

lrsquoanorthite et de la magneacutetite permettent drsquoavoir respectivement un effet sur la stabiliteacute et sur la

conductiviteacute thermique du mateacuteriau obtenu Les tests de stabiliteacute thermique effectueacutes montrent

que tous les mateacuteriaux eacutelaboreacutes par le proceacutedeacute hybride solaire-eacutelectrique ont une large gamme de

stabiliteacute thermique jusquagrave 900 degC ce qui permet de les utiliser comme mateacuteriaux de stockage de

chaleur sensible Ces reacutesultats montrent par ailleurs que les mateacuteriaux naturels comme les roches

peuvent ecirctre associeacutes aux deacutechets comme les cendres de foyer ou la chaux pour eacutelaborer des

mateacuteriaux compleacutementaires Ce qui repreacutesente une approche particuliegraverement inteacuteressante dans

le domaine de lrsquoeacutelaboration de ce type de mateacuteriau

Les reacutesultats obtenus dans ce chapitre contribuent agrave promouvoir le proceacutedeacute solaire pour la

fabrication de ceacuteramiques composites agrave faible coucirct qui peuvent concurrencer les ceacuteramiques

industrielles dans le commerce Ces reacutesultats confirment la pertinence des ceacuteramiques recycleacutees

pour les applications agrave haute tempeacuterature telles que les futures geacuteneacuterations CSP Les mateacuteriaux

eacutelaboreacutes preacutesentent chacun un potentiel en termes de TESM alternatif pour les CSP offrant un

inteacuterecirct social et eacuteconomique Ces mateacuteriaux sont suffisamment disponibles et contribuent agrave

satisfaire les besoins futurs en TESM pour les CSP en Afrique de lOuest Cela ouvre la

perspective de la fabrication dune grande varieacuteteacute de TESM adapteacutee au contexte local et adapteacutee

aux diffeacuterentes contraintes des futures technologies CSP dans la reacutegion ouest africaine La

fabrication de ces ceacuteramiques nest pas une alternative inteacuteressante seulement par lrsquoutilisation de

ressources locales qursquoelle induit Elle contribue eacutegalement au recyclage des deacutechets

De faccedilon geacuteneacuterale les phases obtenues dans les eacutechantillons traiteacutes preacutesentent un potentiel

eacuteleveacute en termes drsquointeacuterecirct du point de vue de leur caractegravere reacutefractaire (mullite spinelle anorthite)

Chapitre IV 152

et de leur capaciteacute de transfert de la chaleur (heacutematite et magneacutetite) Des expeacuterimentations et

caracteacuterisations doivent neacuteanmoins ecirctre reacutealiseacutees et confirmeacutees dans une eacutetude compleacutementaire

Par ailleurs une eacutetude speacutecifique visant agrave optimiser les paramegravetres drsquoameacutelioration de la

conductiviteacute thermique et le caractegravere reacutefractaire serait une suite logique au travail preacutesenteacute dans

ce chapitre Une formulation approprieacutee suivie drsquoune optimisation des paramegravetres de

cristallisation tels que la tempeacuterature drsquoeacutelaboration et la vitesse de refroidissement devraient

permettre de controcircler la formation des dendrites drsquooxyde de fer et par lagrave mecircme drsquoameacuteliorer le

reacuteseau de dopage de la conductiviteacute Deux approches compleacutementaires peuvent permettre de

reacutepondre agrave ces preacuteoccupations et pourront faire lrsquoobjet de travaux futurs

Une eacutetude drsquooptimisation baseacutee sur lrsquoanalyse microscopique et la modeacutelisation de la

reacutepartition des phases permettant drsquooptimiser les proprieacuteteacutes du mateacuteriau

Une eacutetude expeacuterimentale ayant pour but drsquoeacutelaborer des structures de dendrites proches

des optimums theacuteoriques suivis des caracteacuterisations neacutecessaires

En plus de cela les tests de compatibiliteacute entre les mateacuteriaux eacutelaboreacutes et lrsquohuile de jatropha sont

eacutegalement agrave preacutevoir

153

Conclusion geacuteneacuterale et perspectives

154

En Afrique de lrsquoOuest les technologies CSP sont en cours de deacuteveloppement mais

souffrent encore dun manque de mateacuteriaux de stockage deacutenergie thermique adapteacutes Ces

mateacuteriaux doivent saccorder aux exigences actuelles et par conseacutequent ecirctre viables

techniquement eacutecologiquement et eacuteconomiquement Par ailleurs agrave lrsquoeacutechelle du deacuteveloppement

des CSP se pose le problegraveme de disponibiliteacute de la matiegravere premiegravere pour lesquelles les

mateacuteriaux de stockages ne sont pas en reste

Notre travail de thegravese a consisteacute en lrsquoeacutetude du potentiel de valorisation des mateacuteriaux

locaux pour le stockage thermique dans les centrales solaires agrave concentration adapteacutees aux

contraintes de la reacutegion drsquoAfrique de lrsquoOuest Ces travaux ont eacuteteacute meneacutes en quatre parties

distinctes

La premiegravere partie de ce travail a porteacute sur les geacuteneacuteraliteacutes autour des mateacuteriaux de stockage

par chaleur sensible Nous avons passeacute en revue entre autres les principales ressources en

mateacuteriaux de stockage prenant en comptes les aspects environnementaux techniques et

eacuteconomiques La valorisation de ressources disponibles localement telles que les deacutechets

industriels et les mateacuteriaux naturels peuvent permettre de ce fait de reacuteduire le coucirct et lrsquoimpact

environnemental du mateacuteriau Par conseacutequent lrsquoutilisation des roches des deacutechets ou des sous-

produits de lrsquoindustrie devrait permettre de favoriser le deacuteveloppement des filiegraveres de traitement

ayant une forte valeur ajouteacutee et constituer un deacuteboucheacute pour les populations locales

Le deuxiegraveme chapitre a eacuteteacute consacreacute agrave la recherche de candidats drsquointeacuterecirct pour lrsquoutilisation

comme mateacuteriau de stockage de lrsquoeacutenergie thermique (TESM) ou fluide de transfert de chaleur

(HTF) Ainsi dans le but de satisfaire aux nouvelles exigences et donc agrave la neacutecessiteacute de

diversifier les sources de matiegravere dans un contexte drsquoaccroissement de la demande des

investigations sur les matiegraveres premiegraveres drsquointeacuterecirct en Afrique de lrsquoOuest ont eacuteteacute meneacutees La

lateacuterite et lrsquoargile du Burkina Faso les cendres de foyer de SONICHAR au Niger et la chaux de

BIG au Burkina Faso ont eacuteteacute preacuteseacutelectionneacutes comme candidats drsquointeacuterecirct Par ailleurs lrsquohuile

veacutegeacutetale de Jatropha curcas (HVJC) a eacutegalement eacuteteacute mise en avant comme un mateacuteriau pouvant agrave

la fois ecirctre utiliseacute pour le stockage et comme fluide caloporteur Tout dabord le potentiel de ces

mateacuteriaux en termes de disponibiliteacute de composition chimique et mineacuteralogique et de

morphologie a eacuteteacute deacutecrit et discuteacute agrave partir des donneacutees de la litteacuterature Leurs comportements

thermiques et leurs proprieacuteteacutes thermophysiques ont eacuteteacute eacutegalement speacutecifieacutes La comparaison

preacuteliminaire de lrsquoHVJC a montreacute qursquoen se basant sur sa densiteacute de stockage deacutenergie son prix et

son point eacuteclair lhuile veacutegeacutetale proposeacutee a un meilleur potentiel que les huiles couramment

utiliseacutees dans les CSP comme Therminol VP-1 Xceltherm 600 et Syltherm XLT Toutefois

comme la plupart des huiles il est indispensable drsquoeacutevaluer sa stabiliteacute dans les conditions de

fonctionnement Cela est drsquoautant plus important que lrsquoutilisation des huiles veacutegeacutetales nrsquoait eacuteteacute

envisageacutee que reacutecemment En ce qui concerne les mateacuteriaux solides les caracteacuterisations

preacuteliminaires ont permis de comprendre leur comportement thermique et ainsi drsquoenvisager les

meacutethodes de traitement approprieacutees Dans ce sens deux approches de traitement pour

lrsquoeacutelaboration ont eacuteteacute proposeacutees Ces approches devraient permettre de transformer

avantageusement les phases initiales des lateacuterites dont les tempeacuteratures de transformation ont eacuteteacute

observeacutees agrave environ 320 525 980 1200 et 1450 degC La premiegravere consiste en un traitement

thermique agrave des tempeacuteratures infeacuterieures au point de fusion du mateacuteriau La deuxiegraveme approche

est baseacutee sur la fusion des eacutechantillons suivie du traitement de cristallisation

155

Le troisiegraveme chapitre a permis drsquoeacutetudier expeacuterimentalement le comportement de lrsquohuile de

jatropha utiliseacutee comme TESM ou HTF Cette eacutetude a eacuteteacute meneacutee suivant une approche couplant

le comportement agrave petite eacutechelle et celui agrave grande eacutechelle Ainsi agrave partir de lrsquoanalyse

thermogravimeacutetrique de quelques milligrammes drsquoeacutechantillon nous avons montreacute que le

comportement thermique de lrsquohuile de jatropha se deacutecompose en trois phases Compte tenu des

observations faites sur le thermogramme il a eacuteteacute montreacute que lrsquohuile de Jatropha pourrait

convenir aux conditions de fonctionnement de la centrale CSP4Africa crsquoest-agrave-dire jusqursquoagrave

210 degC Plusieurs tests effectueacutes sur lrsquoHVJC en particulier les tests statiques dans un reacuteacteur en

acier inoxydable ont montreacute que lhuile reste relativement stable apregraves 500 h de chauffage

continu agrave 210 degC La viscositeacute et le point eacuteclair mesureacutes sont resteacutes pratiquement constants apregraves

les tests statiques Ceci est eacutegalement le cas de lrsquoaciditeacute totale Cependant lors des tests

dynamiques le point eacuteclair baisse continuellement de 235 degC agrave 185 degC au bout de 10 cycles

mais reste toujours au-dessus du point eacuteclair des huiles syntheacutetiques brutes comme

Therminol VP-1 et de Syltherm XLT Lrsquoaugmentation des proprieacuteteacutes physiques et chimiques lors

des tests dynamiques et pseudo-statiques est principalement due au renouvellement de lrsquoair dans

le reacuteacteur lors du preacutelegravevement Cette variation est le reacutesultat de lrsquooxydation et de la

polymeacuterisation sous lrsquoeffet catalytique des meacutetaux provenant du transfert de particules du

reacuteacteur vers lrsquohuile Leacutevolution de la composition chimique de lrsquoHVJC en particulier la

preacutesence deacuteleacutements tels que le fer et le zinc laisse penser que le reacuteservoir en acier inoxydable

316L est plus adapteacute et plus compatible avec lrsquoHVJC que lacier galvaniseacute Ainsi certaines

difficulteacutes du stockage de la chaleur pour les CSP ont pu ecirctre leveacutees par lrsquoutilisation de lrsquohuile de

jatropha en remplacement des huiles syntheacutetiques couramment utiliseacutees dans les CSP

La derniegravere partie de cette thegravese porte sur la valorisation des ressources locales pour

lrsquoeacutelaboration de mateacuteriaux de stockage thermique La principale contribution de cette partie agrave

cette thegravese est donc lrsquoeacutelaboration de ceacuteramiques adapteacutees aux contraintes locales agrave partir de la

lateacuterite des cendres de foyer et de chaux en tant que candidats drsquointeacuterecirct pour le stockage

thermique Les mateacuteriaux issus de ces candidats se deacuteclinent en deux cateacutegories (1) ceux

provenant des traitements thermiques en dessous de leur tempeacuterature de fusion (2) ceux issus

du traitement thermique apregraves la fusion au four solaire Pour ce dernier cas le proceacutedeacute

peacutetrurgique et le proceacutedeacute par nucleacuteation-croissance ont eacuteteacute utiliseacutes Afin de reacuteduire les quantiteacutes

importantes drsquoeacutenergie mises en jeu lors de la fusion la valorisation de la ressource solaire

concentreacutee a eacuteteacute utiliseacutee agrave cette fin Concernant les traitements thermiques en dessous du point de

fusion seules les lateacuterites ont fait lrsquoobjet de cette approche au regard de leur eacutetat initial Pour ces

mateacuteriaux la mullite et lrsquoheacutematite ont eacuteteacute obtenus dans la structure de toutes les couches traiteacutees

agrave 1200 degC Nous avons eacutegalement montreacute que pour des traitements thermiques agrave plus de 800 degC

toute la goethite et la kaolinite se transforment respectivement en heacutematite et metakaolinite Par

ailleurs les blocs de lateacuterites des trois derniegraveres couches sont resteacutes stables apregraves le traitement

thermique agrave 800 degC Cela est le reacutesultat de leur forte teneur en kaolinite qui joue le rocircle de liant

Cependant seule la lateacuterite de la troisiegraveme couche est resteacutee stable apregraves le traitement agrave 1200 degC

Du proceacutedeacute de deacutevitrification nous avons obtenu le spinelle et la magneacutetite eacutelaboreacutes agrave partir de

la lateacuterite La morphologie de ces mateacuteriaux obtenus se preacutesente sous forme de dendrites de

magneacutetite dans une matrice de spinelle En plus de la lateacuterite les cendres de foyers ont

eacutegalement aussi fait lrsquoobjet drsquoun traitement thermique de fusion-cristallisation Ce mecircme

proceacutedeacute de traitement utiliseacute sur les cendres de foyer de SONICHAR nous a permis drsquoobtenir

une ceacuteramique de mullite Celle-ci se propose comme une alternative aux ceacuteramiques

156

industrielles de mecircme type dont le coucirct peut aller jusqursquoagrave 9000 euromiddott-1

De ces processus

drsquoeacutelaboration de mateacuteriaux la mullite et le spinelle offrent tous deux une contribution

avantageuse comme phase reacutefractaire Par ailleurs la magneacutetite et lrsquoheacutematite preacutesentent quant agrave

eux lavantage de pouvoir ameacuteliorer le transfert de chaleur dans le mateacuteriau

Toutefois les mateacuteriaux eacutelaboreacutes directement agrave partir de cendres de foyer ou des lateacuterites

neacutecessitent des proceacutedeacutees de traitement eacutenergeacutetivores et complexes agrave cause de leur point de

fusion qui est qui est compris entre 1400 degC et 1475 degC Nous avons donc meacutelangeacute des mateacuteriaux

naturels avec des deacutechets industriels afin deacutelaborer des ceacuteramiques composites comme mateacuteriau

de stockage thermique Ainsi les ceacuteramiques proposeacutees sont faites de plusieurs ressources

compleacutementaires Lrsquoajout de chaux a permis de baisser la tempeacuterature de fusion de lrsquoeacutechantillon

LADA4 de 1450 degC agrave 1150 degC Les analyses DRX de ces mateacuteriaux ont montreacute la preacutesence de

lrsquoanorthite et de la magneacutetite Par ailleurs les images en contraste chimique ont montreacute que

lrsquoanorthite est la phase principale et la magneacutetite lrsquoinclusion disperseacutee en reacuteseau dendritique Ces

transformations srsquoobservent eacutegalement sur les meacutelanges de lateacuterite de la troisiegraveme couche avec la

chaux Par ailleurs les mateacuteriaux obtenus agrave partir de meacutelanges de chaux (5 10 15 20 30 ) et

de cendres de foyer ont montreacute la preacutesence drsquoanorthite avec une meilleure cristalliniteacute pour le

meacutelange agrave 20 de chaux De faccedilon geacuteneacuterale les diffeacuterentes phases obtenues sont en conformiteacute

avec le diagramme ternaire des ceacuteramiques et les ceacuteramiques obtenues restent stables apregraves les

diffeacuterents cycles agrave 900 degC Cela confirme le caractegravere reacutefractaire des phases observeacutees Au vu de

leur composition chimique compleacutementaire la lateacuterite de la premiegravere couche et les cendres de

foyers ont eacuteteacute testeacutees Les mateacuteriaux issus de ces meacutelanges (LADA1 + (25 50 75 ) cendres de

foyer) sont des ceacuteramiques composites composeacutees drsquoanorthite comme pour les meacutelanges

preacutecegravedent en plus de la magneacutetite Les analyses MEB pour le meacutelange agrave 25 de cendres de

foyer ont indiqueacute la preacutesence drsquoun reacuteseau dendritique dans la matrice principale drsquoanorthite Les

analyses agrave lrsquoEDS ont montreacute que les dendrites en question sont composeacutees principalement

drsquooxydes de fer et donc de magneacutetite Le mateacuteriau est tregraves stable sous traitement thermique

jusquagrave 900 degC et peut ecirctre consideacutereacute comme un milieu de stockage thermique alternatif pour

diffeacuterentes technologies CSP

Lrsquoapproche utiliseacutee dans cette thegravese a permis drsquoidentifier des mateacuteriaux particuliegraverement

pertinents comme matiegravere premiegravere pour deacutevelopper de nouvelles ceacuteramiques pour le stockage agrave

haute tempeacuterature Chacun des mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de ces ressources preacutesente son propre

potentiel en termes dalternative TESM pour CSP offrant diffeacuterents inteacuterecircts sociaux et

eacuteconomiques Cela met en lumiegravere la perspective de fabriquer une grande varieacuteteacute de TESM

adapteacutee au contexte local et aux diffeacuterentes contraintes des futures technologies CSP La

valorisation de ces ressources pour lrsquoeacutelaboration de TESM est non seulement une alternative

utile pour les matiegraveres premiegraveres naturelles mais contribue eacutegalement au recyclage des deacutechets

Chacun deux est disponible dans la zone ouest africaine comme mateacuteriaux de TESM pour les

CSP Ces mateacuteriaux preacutesentent eacutegalement lavantage drsquooffrir de nouveaux marcheacutes pour les

populations locales deacutejagrave impliqueacutees dans la valorisation des lateacuterites

Pour affiner ces travaux des voies drsquoameacuteliorations peuvent ecirctre envisageacutees En effet une

formulation approprieacutee suivie drsquoune optimisation des paramegravetres de cristallisation tels que la

tempeacuterature drsquoeacutelaboration ou la vitesse de refroidissement sont des aspects agrave deacutevelopper afin de

controcircler la formation des dendrites drsquooxyde de fer et par lagrave mecircme drsquoameacuteliorer le reacuteseau de

157

dopage de la conductiviteacute Il sera donc inteacuteressant de valider les effets induits par la preacutesence des

phases conductrices sur les proprieacuteteacutes thermiques des ceacuteramiques eacutelaboreacutees Par ailleurs

lrsquoapproche drsquoeacutelaboration par frittage de briques ou tuiles agrave partir de meacutelange (lateacuterite + chaux ou

cendres volantes + chaux) peut permettre de fabriquer des modules de stockage par recuit apregraves

compactage

Concernant lrsquohuile de Jatropha il en existe plusieurs espegraveces Il serait donc inteacuteressant drsquoeacutetudier

la stabiliteacute des espegraveces les plus courantes Nous pensons en effet qursquoil est possible drsquoeacutetendre la

plage drsquoutilisation de lrsquoHVJC au regard de sa stabiliteacute pendant les tests statiques dans le reacuteacteur

en acier inoxydable 316L car la question de la vaporisation ou de la volatilisation de lrsquohuile

persiste A cet effet une eacutetude baseacutee sur lrsquoanalyse thermogravimeacutetrique coupleacutee agrave une analyse

spectromeacutetrique de la masse devrait permettre drsquoeacutelucider la question Elle devrait en effet

permettre de savoir si nous pouvons utiliser cette huile agrave des tempeacuteratures supeacuterieures agrave 210 degC

Par ailleurs au vu de la baisse de lrsquoindice drsquoiode durant les diffeacuterents tests il est neacutecessaire de

comprendre dans quel sens les acides gras insatureacutes se deacuteplacent Il est probable que cette

transformation des acides gras insatureacutes soit agrave lrsquoorigine de cette stabiliteacute Cette eacutetude peut ecirctre

rigoureusement meneacutee en couplant la chromatographie en phase gazeuse avec la spectromeacutetrie

infrarouge a transformeacutee de Fourier des eacutechantillons vieillis sous diffeacuterentes tempeacuteratures Ainsi

la thegravese de M Gomna ABOUBAKAR sur le thegraveme laquo Eacutetude de lrsquoutilisation de lrsquohuile de

Jatropha curcas comme fluide de transfert et de stockage thermique haute tempeacuterature cas de

la centrale solaire CSP4Africa raquo et initieacutee par le LESEE du 2iE devrait permettre drsquoapporter

des eacuteleacutements de reacuteponse agrave ces hypothegraveses et pourquoi pas aller plus loin dans lrsquoameacutelioration de

la stabiliteacute thermique de cette huile agrave travers des meacutelanges avec des nanoparticules comme du

quartz amorphe ou avec des antioxydants Des tests de compatibiliteacute entre lrsquohuile de Jatropha

curcas et les ceacuteramiques eacutelaboreacutees doivent eacutegalement ecirctre entrepris

158

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172

Nomenclature

AIE Agence internationale des eacutenergies

ATG Analyse thermogravimeacutetrique

BSE Electrons reacutetrodiffuseacutes (Bondary secondary Electron)

CSP Centrale Solaire agrave concentration (Concentrating Solar Power)

DRX Diffraction des rayons X

DSC Calorimeacutetrique diffeacuterentielle agrave balayage (Differential Scanning Calorimetry)

GES Gaz agrave Effet de Serre

HTF Fluide de transfert thermique (Heat Transfer Fluid)

HVJC Huile Veacutegeacutetale de Jatropha curcas

MEB Microscope eacutelectronique agrave balayage

EDSEDX Analyse en chimique de mateacuteriaux solides (Energy-Dispersive Spectroscopy X ray)

ORC Cycle organique de Rankine (Organic Rankine Cycle)

PCM Mateacuteriau agrave changement de phase (Phase Change Material)

SE Secondary ElectronElectrons secondaires

TES Systegraveme de stockage thermique (Thermal Energy System)

TG Analyse thermogravimeacutetrique

TESM Mateacuteriau de stockage de lrsquoeacutenergie thermique (Thermal Energy Storage Material)

173

Liste des tableaux

Tableau I-1 Tableau comparatif des diffeacuterentes technologies CSP [29] 5

Tableau I-2 Eacutevolution de la fraction solaire en fonction de la capaciteacute du systegraveme de stockage 10

Tableau I-3 Mateacuteriaux de stockage agrave chaleur sensible [45ndash47] 11

Tableau I-4 Composition moyenne en acide gras de quelques huiles veacutegeacutetales [858889] 22

Tableau I-5 Proprieacuteteacutes thermiques et physiques des huiles veacutegeacutetales agrave 210 degC [14] 25

Tableau I-6 Reacuteactions et interactions des huiles et des matiegraveres grasses pendant le chauffage [106] 26

Tableau II-1 Critegraveres de seacutelection des mateacuteriaux de stockage de la chaleur 42

Tableau II-2 Comparaison des caracteacuteristiques thermophysiques et chimiques de lrsquo HVJC avec Therminol VP-1

Xceltherm 600 et Syltherm XLT 44

Tableau II-3 Diffeacuterentes lateacuterites formeacutees en fonction du type de roche megravere [177] 48

Tableau II-4 Deacutechets du charbon lors de la combustion pour la production drsquoeacutelectriciteacute [204] 56

Tableau II-5 Proprieacuteteacutes physiques et chimiques de lrsquoHVJC 65

Tableau II-6 Composition chimique de lrsquoHVJC 66

Tableau II-7 Analyse chimique (EDS) des eacutechantillons bruts de lateacuterite des diffeacuterentes couches 68

Tableau II-8 Reacuteaction et tempeacuteratures associeacutees aux transformations des lateacuterites de Dano 71

Tableau II-9 Proprieacuteteacutes thermophysiques de la lateacuterite de Dano 71

Tableau II-10 Analyse chimique (EDS) de lrsquoeacutechantillon de BIG 73

Tableau III-1 Proprieacuteteacutes physiques chimiques et teneur en meacutetaux de lrsquoHVJC avant et apregraves les tests statiques dans

un reacuteacteur en acier inoxydable de type 316L 100

Tableau IV-1 Analyse EDS des eacutechantillons de lateacuterite apregraves traitement thermique agrave 1200 degC 115

Tableau IV-2 comparaison des proprieacuteteacutes thermo-physiques escompteacutees agrave celles des ceacuteramiques techniques et

issues drsquoautres deacutechets 142

174

Liste des figures

Figure 0-1 Taux drsquoaccegraves et population sans accegraves agrave lrsquoeacutelectriciteacute en Afrique (WEO 2015) [2] 2

Figure 0-2 Eacutevolution projeteacutee de la production drsquoeacutelectriciteacute par la technologie CSP drsquoici 2050 [8] 3

Figure 0-3 a) Reacutegions du monde adapteacutees pour lrsquoimplantation des CSP (adapteacutee de [9]) b) zones adapteacutees pour

lrsquoimplantation des CSP dans lrsquoespace CEDEAO (Afrique de lrsquoOuest) adapteacutee de [10] 4

Figure I-1 Processus de transformation de la chaleur du soleil en eacutelectriciteacute par voie thermodynamique adapteacute de

(ADEME 2012) 3

Figure I-2 Diffeacuterentes technologies CSP et les ratios drsquoinstallations associeacutes en 2015 (adapteacute de [18]) 4

Figure I-3 Utilisation du stockage thermique dans les CSP pour couvrir les besoins journaliers [8] 10

Figure I-4 Scheacutema simplifieacute du systegraveme de stockage actif direct agrave deux reacuteservoirs dans une centrale agrave tour 15

Figure I-5 Scheacutema simplifieacute du systegraveme de stockage actif direct thermocline dans une centrale agrave tour 16

Figure I-6 Principe de fonctionnement du stockage thermocline sur lit de mateacuteriaux filaires (roches ceacuteramiqueshellip)

16

Figure I-7 a) Structure drsquoun triglyceacuteride R1 R2 R3 chaines aliphatiques satureacutees ou insatureacutees b) Structure des

acides gras preacutesents dans lrsquohuile 21

Figure I-8 Relation entre le proceacutedeacute et la qualiteacute des huiles veacutegeacutetales adapteacutee de [91] 23

Figure I-9 Comparaison du cours des trois huiles veacutegeacutetales les plus utiliseacutees et du peacutetrole brut de 2003 agrave 2013 24

Figure I-10 Classification des roches avec quelques exemples par type 28

Figure I-11 Valeurs moyennes et plages de variation de (a) chaleur speacutecifique agrave pression constante(Cp)et (b) la

capaciteacute calorifique (ρtimesCp) fonction la de tempeacuterature pour les roches magmatiques meacutetamorphiques et

seacutedimentaires [124] 29

Figure I-12 Valeurs moyennes (symboles) et les plages de variation (barres verticales) de la conductiviteacute thermique

en fonction de la tempeacuterature pour[124] (a) les roches magmatiques et meacutetamorphiques et (b) les roches


Figure I-13 Processus drsquoeacutelaboration de ceacuteramique reacutefractaires agrave partir de lrsquoamiante 33

Figure I-14 Vue drsquoensemble du module de stockage thermique utilisant des ceacuteramiques eacutelaboreacutees agrave partir

drsquoamiante 33

Figure I-15 Caracteacuterisation DSC des mateacuteriaux issus des FA [143] 35

Figure I-16 Vue des diffeacuterents types de laitiers 36

Figure II-1 (a) Zones geacuteographiques africaines propices pour la croissance du Jatropha curcas [86] (b) Processus

de croissance du Jatropha curas 44

Figure II-2 Carte mondiale de la ceinture lateacuteritique adapteacutee de [180] 49

Figure II-3 Comportement thermique de la lateacuterite (a) DSC (Analyse colorimeacutetrique diffeacuterentielle) (b) TG

(thermogravimeacutetrique) 49

Figure II-4 (a) Cartes de situation des carriegraveres de lateacuterite au Burkina Faso (b) Mine drsquoextraction des briques de

lateacuterite agrave Dano au Burkina Faso 51

Figure II-5 Organigramme des reacuteactions et transformations de la kaolinite adapteacute de [194] 53

Figure II-6 Carriegravere de preacutelegravevement de lrsquoargile pour la construction agrave Ouagadougou 54

Figure II-7 Scheacutema du circuit des cendres et des points de reacutecupeacuteration adapteacute de [203] 56

Figure II-8 Localisation de la zone de deacutecharge des macircchefers de la Socieacuteteacute SONICHAR au Niger 58

Figure II-9 Scheacutema du dispositif de mesure (gauche) Courbe expeacuterimentale (droite) 64

Figure II-10 (a) Banc expeacuterimental (b) Eacutechantillon de lateacuterite de la quatriegraveme couche en test 65

Figure II-11 Eacutechantillons bruts des diffeacuterentes strates de lateacuterite de la carriegravere de Dano 67

Figure II-12 Images MEB des eacutechantillons bruts de lateacuterite de Dano 67

Figure II-13 DRX des eacutechantillons bruts de lateacuterite de Dano 68

Figure II-14 Analyse thermogravimeacutetrique des eacutechantillons bruts de lateacuterites de Dano 69

Figure II-15 Analyse diffeacuterentielle calorimeacutetrique des eacutechantillons bruts de lateacuterites de Dano 70

Figure II-16 Diffractogramme des eacutechantillons bruts de cendres de foyer de SONICHAR 72

175

Figure II-17 Courbes TGDSC des cendres de foyer de SONICHAR 73

Figure II-18 Diffractogramme des eacutechantillons bruts de chaux de BIG 74

Figure II-19 Courbes TGDSC de la chaux de BIG 75

Figure II-20 Repreacutesentation des matiegraveres premiegraveres seacutelectionneacutees sur le diagramme ternaire des ceacuteramiques a)

repreacutesentation des lateacuterites de Dano b) Repreacutesentation des cendres de foyer de SONICHAR et de la chaux eacuteteinte

de BIG 76

Figure III-1 Diffeacuterentes des meacutethodes de test utiliseacutees et les conditions associeacutees 80

Figure III-2 (a) Repreacutesentation scheacutematique du dispositif expeacuterimental pour les essais dynamiques et pseudo-

statique (b) Reacuteacteur de test 82

Figure III-3 Eacutevolution de la tempeacuterature de lrsquohuile pendant les tests en reacutegimes dynamiques 83

Figure III-4 Eacutevolution de la tempeacuterature de lrsquohuile pendant les tests en reacutegimes pseudo-statiques 84

Figure III-5 Thermogramme TGDTA de lrsquo HVJC jusqursquoagrave 500 degC 89

Figure III-6 Thermogramme de lrsquoHVJC analyseacute pendant 25 h agrave 210 degC 90

Figure III-7 Eacutevolution de la teneur des proprieacuteteacutes chimiques de lrsquoHVJC pendant les tests dynamiques dans le

reacuteacteur en acier galvaniseacute et en acier inoxydable 316L (a) Viscositeacute cineacutematique (b) point eacuteclair (c) masse

volumique 92

Figure III-8 Eacutevolution de la teneur des proprieacuteteacutes chimiques de lrsquoHVJC durant les tests dynamiques dans les

reacuteacteurs en acier galvaniseacute et en acier inoxydable de type 316L (a) Aciditeacute totale (b) Teneur en eau (c) Indice de

peroxyde (d) Indice drsquoiode 94

Figure III-9 Eacutevolution de la teneur en meacutetaux de lrsquoHVJC durant les tests dynamiques dans un reacuteacteur en acier

galvaniseacute et en acier inoxydable de type 316L (a) Fer (b) Plomb et zinc 95

Figure III-10 Eacutevolution des proprieacuteteacutes physiques de lrsquoHVJC pendant les tests pseudo-statiques dans le reacuteacteur en

acier inoxydable 316L (a) Viscositeacute cineacutematique (b) point flash (c) densiteacute 97

Figure III-11 Eacutevolution de la teneur des proprieacuteteacutes chimiques de lrsquoHVJC durant les tests pseudo statiques dans un

reacuteacteur en acier inoxydable de type 316L (a) Aciditeacute totale (b) Teneur en eau (c) Indice de peroxyde (d) Indice

drsquoiode 98

Figure III-12 Eacutevolution de la teneur en meacutetaux de lrsquoHVJC durant les tests pseudo statiques (a) Teneur en fer (b)

Teneur en plomb et en zinc 99

Figure IV-1 Proceacutedeacute de nucleacuteation-croissance sans superposition (a) Deacutependance en tempeacuterature des taux de

nucleacuteation et de croissance (b) Traitement thermique de nucleacuteation-croissance associeacute [242] 106

Figure IV-2 Proceacutedeacute peacutetrurgique (a) Deacutependance en tempeacuterature des taux de nucleacuteation et de croissance forte

superposition (b) Traitement thermique avec palier de cristallisation [242] 108

Figure IV-3 Influence de la vitesse de refroidissement sur la microstructure dun laitier 109

Figure IV-4 Proceacutedure de traitement thermique des lateacuterites brutes au four eacutelectrique 111

Figure IV-5 Blocs de lateacuterites avant traitement (haut) et apregraves traitement thermique agrave 800degC au four eacutelectriques

(bas) 112

Figure IV-6 Blocs de lateacuterites apregraves traitement thermique agrave 1200degC au four eacutelectriques 112

Figure IV-7 Diffractogramme des eacutechantillons de lateacuterite traiteacutes agrave 400 600 800 et 1000 et 1200 degC a) LADA1 b)

LADA2 c) LADA3 d) LADA4 113

Figure IV-8 Image BSE et SE des eacutechantillons de lateacuterite apregraves traitement au four eacutelectrique 115

Figure IV-9 Principe de fonctionnement du four solaire agrave axe vertical dOdeillo 117

Figure IV-10 Fusion des eacutechantillons (gauche) et creuset avec les vitrifiats (droite) 117

Figure IV-11 Proceacutedure de traitement thermique des lateacuterites apregraves la vitrification au four eacutelectrique 118

Figure IV-12 Diffractogramme des eacutechantillons de lateacuterite traiteacutes par fusion et cristallisation agrave 1100 degC (a)

LADA1 (b) LADA2 (c) LADA3 (d) LADA4 119

Figure IV-13 images en contraste chimique des lateacuterites des diffeacuterentes couches brutes vitrifieacutees et recuites agrave

1100 degC (a) LADA1 (b) LADA2 (c) LADA3 (d) LADA4 120

Figure IV-14 Courbes TGDSC des lateacuterites des diffeacuterentes couches traiteacutees par fusion et cristallisation agrave 1100 degC

a) LADA1_FS_R b) LADA2_FS_R c) LADA3_FS_R d) LADA4_FS_R 121

Figure IV-15 Proceacutedure de traitement thermique des cendres de foyer apregraves la vitrification au four eacutelectrique 123

176

Figure IV-16 Diffractogramme des eacutechantillons des cendres de foyer (BA) traiteacutees par fusion et cristallisation agrave

1200 degC 124

Figure IV-17 Courbes TGDSC des eacutechantillons de cendres de foyer (BA) traiteacutees par fusion et cristallisation agrave

1200 degC 125

Figure IV-18 Potentiel drsquoeacutelaboration de ceacuteramique agrave partir des meacutelanges de lateacuterites (LADA3 et LADA4) avec la

chaux de BIG 127

Figure IV-19 Courbes DSC des meacutelanges de lateacuterite (LADA4) et diffeacuterentes proportions (10 15 et 20 ) de chaux

(SL) 128

Figure IV-20 Diffractogramme des mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de meacutelange de lateacuterite de la quatriegraveme couche

(LADA4) avec diffeacuterentes proportions de chaux (10 15 et 20) 129

Figure IV-21 Diffractogramme des mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de meacutelange de lateacuterite de la troisiegraveme couche


Figure IV-22 Image en contraste chimique du mateacuteriau eacutelaboreacute agrave partir du meacutelange lateacuterite de la quatriegraveme

couche et diffeacuterentes quantiteacutes de chaux eacuteteinte de BIG a) (LADA4 +10SL) b) (LADA4 + 15SL) c (LADA4 +

20SL) 131

Figure IV-23 Image en contraste chimique du mateacuteriau eacutelaboreacute agrave partir du meacutelange lateacuterite de la troisiegraveme couche

et diffeacuterentes quantiteacutes de chaux eacuteteinte de BIG a) (LADA3 +10SL) b) (LADA3 + 15SL) c (LADA3 + 20SL) 131

Figure IV-24 Courbes TGDSC du mateacuteriau eacutelaboreacute agrave partir de meacutelange de lateacuterite de la couche infeacuterieure avec 20

de chaux eacuteteintes (LADA4+20SL) 132

Figure IV-25 Courbes TGDSC du mateacuteriau eacutelaboreacute agrave partir de meacutelange de lateacuterite de la troisiegraveme couche avec 20

de chaux eacuteteinte (LADA3+20SL) 133

Figure IV-26 Potentiel drsquoeacutelaboration de ceacuteramique agrave partir des meacutelanges des cendres de foyer avec la chaux de BIG

134

Figure IV-27 Diffractogramme des mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de meacutelange de cendres de foyer avec diffeacuterente

proportion de chaux (5 10 15 20 et 30) 135

Figure IV-28 Image en contraste chimique du mateacuteriau eacutelaboreacute agrave partir de meacutelange de cendres de foyer avec la

chaux a) BA b) BA+10SL c) BA+15SL d) BA+20SL 135

Figure IV-29 Courbes TGDSC des ceacuteramiques eacutelaboreacutees agrave partir de meacutelange de cendres de foyer avec 20 de

chaux (BA+20 SL) 136

Figure IV-30 Potentiel drsquoeacutelaboration de ceacuteramique agrave partir des meacutelanges des cendres de foyer(BA) avec la lateacuterite

de la premiegravere couche (LADA1) 137

Figure IV-31 Diffractogramme des ceacuteramiques eacutelaboreacutees agrave partir de meacutelange de Lateacuterite de premiegravere couche

(LADA1) et diffeacuterents pourcentages (25 50 et 75) de cendres de foyer 138

Figure IV-32 Image en contraste chimique de la ceacuteramique eacutelaboreacutee agrave partir de meacutelange de la lateacuterite de la

premiegravere couche et les cendres de foyer a) LADA1+25BA b) LADA1+50BA c) LADA1+75BA 139

Figure IV-33 Courbe TGDSC de la ceacuteramique eacutelaboreacutee agrave partir de meacutelange Lateacuterite de la premiegravere couche et 25

de cendres de foyer (LADA1+25BA) 140

Figure IV-34 Four artisanal utiliseacute pour la cuisson du pain agrave Dano au Burkina Faso 144

Figure IV-35 Proceacutedure drsquoeacutelaboration par la meacutethode petrurgique agrave partir du meacutelange composeacute de lateacuterite de

quatriegraveme couche et de 20 de chaux de BIG (LADA4+20SL) 145

Figure IV-36 a) Meacutelange de lateacuterite de la quatriegraveme couche et de 20 de chaux de BIG (LADA4+20SL) eacutelaboreacute par

la meacutethode petrurgique au four eacutelectrique b) Zoom sur la structure du mateacuteriau obtenu 146

Figure IV-37 Caracteacuterisation structurale et morphologique du mateacuteriau eacutelaboreacute par la meacutethode petrurgique au

four eacutelectrique agrave partir de meacutelange de lateacuterite de quatriegraveme couche et de 20 de chaux de BIG (LADA4+20SL a)

Diffractogramme b) Image en contraste chimique 146

Figure IV-38 Comportement thermique du mateacuteriau eacutelaboreacute par la meacutethode petrurgique au four eacutelectrique agrave partir

de meacutelange de lateacuterite de quatriegraveme couche et de 20 de chaux de BIG (LADA4+20SL) 147

Figure IV-39 Equipements pour la preacuteparation et la fusion des eacutechantillons 148

Figure IV-40 Proceacutedure drsquoeacutelaboration des modules de stockage par la meacutethode petrurgique agrave partir du meacutelange

composeacute de la lateacuterite de quatriegraveme couche et de 20 de chaux de BIG (LADA4+20SL) 149

Figure IV-41 Proceacutedeacute drsquoeacutelaboration de module de stockage par la meacutethode petrurgique 150

177

Figure IV-42 Modules obtenus apregraves le processus 150

178

Annexes

179

Annexe I Centrales solaires avec systegravemes de stockage [17257]

Solar one

(1982-1988)

Solar Electric Generating

Station I (1984)

Solar two

(1996)

PS10

(2007)

Nevada

Solar one

(2007)

Champ

Solaire

Lieu Dagget Eacutetats Unis Daggett

Eacutetats Unis

Sevilla

Espagne

Boulder

Eacutetats Unis

Champ des capteurs (msup2) 82 960 891 000 75 000 357 200

DNI (kWhmiddotm-sup2middotan

-1) 2 725 2 012 2 606

Type CT CP CT CT CP

Reacutecepteur

Fluide caloporteur Huile Leau Dowtherm A

Tempeacuterature de sortie du reacutecepteur

( degC)

307 545 300 393

Stockage Type de stockage Thermocline directe Huile Sels fondus Vapeur

satureacutee

Vapeur

satureacutee

Composition Huile

4120 t de granite concasseacute

2060 t de sable

60

NaNO3

40KNO3

Dimensionnement 4 230 m3 3 400 m3 2 reacuteservoirs directs

Temps de stockage (h) 2 3 083 05

Tempeacuterature haute (degC) 304 393

Tempeacuterature basse (degC) 244 318

Rendement 50

Cycle Type du cycle Rankine Rankine Rankine Rankine

Puissance eacutelectrique (MW) 10 138 10 10 72

Rendement 315

Pression (bar) 40 45

CT Centrales agrave Tour CP concentrateurs paraboliques

180

Andasol I

(2008)

Juumllich

Solar Tower

(2008)

PS20

(2009)

Holaniku at

keahole point

(2009)

Andasol II

(2009)

Champ

Solaire

Lieu Aldiere

Espagne

Juumllich

Allemagne

Sevilla

Espagne

Keahole point

Etats unis

Aldeire y La Calahorra


DNI (kWhmiddotm-2middotan

-1) 2 136 2 012 2 136

Type CP CT CT CP CP

Reacutecepteur

Fluide caloporteur Dowtherm A eau Xceltherm-600 Dowtherm A


( degC)

393 680 300 176 393

Stockage Type de stockage Sels fondus Ceacuteramique Vapeur

satureacutee

Vapeur satureacutee Sels fondus

Composition 60 NaNO3 40KNO3 60 NaNO3 40KNO3

Dimensionnement 2 reacuteservoirs indirects

28 000t 1010 MWh

Hauteur 14m Diamegravetre

36m

2 reacuteservoirs indirects

28 500t 1010 MWh


36m

Temps de stockage (h) 75 15 1 2 75



Rendement

Cycle Type du cycle Rankine Rankine Rankine Rankine Rankine


Rendement 16 16

Pression (bar) 100 45 100


181

Archimegravede

(2010)

La Florida

(2010)

La Dehesa

(2011)

Andasol III

(2011)

Gemasolar

thermosolar plant

(2011)

Lake

Cargelligo

(2011)

Champ

Solaire

Lieu Priolo Gargallo

Italie

Badajoz

Espagne

La Garrovilla

Espagne

Aldeire Fuentes de

Andalucia

Espagne

Lake Cargelligo

Australie

Champ des capteurs (msup2) 31 860 552 750 552 750 510 120 304 750 6 080


-1) 1 936 2 200 2 172

Type CP CP CP CP CT CT

Reacutecepteur Puissance thermique

Fluide caloporteur Dipheacutenyl

Bipheacutenyl

Oxyde

Dipheacutenyl

Bipheacutenyl

Oxyde

Thermal Oil Sels fondus


( degC)

550 393 393 393 565 500

Stockage Type de stockage Sels fondus Sels fondus Sels fondus Sels fondus Sels fondus Graphite

Composition 60 NaNO3

40KNO3

60 NaNO3 40

KNO3

Dimensionnement 2 reacuteservoirs 1580 t

hauteur 65 m

diamegravetre 135 m

2 reacuteservoirs

29 000 t

2 reacuteservoirs

29 000 t

2 reacuteservoirs

indirects

2 reacuteservoirs

directs

Temps de stockage (h) 75 7 75 15h (24h)

Tempeacuterature haute (degC) 550 393 393 565 500

Tempeacuterature basse (degC) 290 298 298 290 200

Rendement

Cycle Type du cycle Rankine Rankine Rankine Rankine Rankine Rankine

Puissance eacutelectrique (MW) 472 50 499 50 199 3

Rendement 1560 3810 3810

Pression (bar) 100 100 100 50


182

Arcosol 50

(2011)

La Africana

(2012)

Beijing Badaling

Solar Tower

(2012)

Supcon

Solar

Projet

(2013)

Crescent Dunes

Solar Energy

(2013)

Solana

Generating Station

(2013)

Champ

Solaire

Lieu San Joseacute del

Valle

Espagne

Posadas

Espagne

Beijing Chine Qinghai

Chine

Navada Eacutetats Unis Phoenix

Eacutetats Unis

Nombre de capteurs 672 100 217 440 17 170 3 232

Champ des capteurs (msup2) 510 120 550 000 10 000 434 880 1 071 361 2 200 000


-1) 1 950 1 290

Type CP CP CP CT CP

Reacutecepteur

Fluide caloporteur 60 NaNO3

40KNO3

Therminol VP-1

Tempeacuterature de sortie du reacutecepteur 393 393 400 565 379

Stockage Type de stockage Sels fondus Sels fondus Vapeur

satureacutee

Sels fondus Sels fondus Sels fondus

Composition

Dimensionnement 2 reacuteservoirs

28 500 t

2 reacuteservoirs 2 reacuteservoirs 2 reacuteservoirs direct 2 reacuteservoirs


Tempeacuterature haute ( degC) 393 393 400 565

Tempeacuterature basse ( degC) 293 293 104 290

Rendement 99



Rendement 38



183

Arenales

(2013)

Caceres

(2013)

Casablanca

(2013)

Kaxu solar

One (2014)

Khi Solar One

(2014)

Bokpoort

(2015)

Rice solar

energy projet

(2016)

Champ

Solaire

Lieu Moron de

la Frontera

Espagne

Valdepbispo

Espagne

Talarrubias

Espagne

Poffader

Afrique du Sud

Upington

Afrique du Sud

Globershoop

Afrique du Sud

Rice Eacutetats Unis

Champ des capteurs (msup2) 510 120 510 120 510 120 800 000 580 000 588 600 1 071 361

DNI (kWhm-2

an-1

) 2 598

Type CP CP CP CP TS CP TS

Reacutecepteur

Fluide caloporteur Thermal Oil Dipheacutenyl

Bipheacutenyl

Oxyde

Dipheacutenyl

Bipheacutenyl

Oxyde

Therminol VP-

1

Vapeur

satureacutee

Dowtherm A Sels fondus


(degC)

393 393 393 565

Stockage Type de stockage Sels fondus Sels fondus Sels fondus Sels fondus Vapeur

satureacutee

Sels fondus Sels fondus

Composition

Dimensionnement 2 reacuteservoirs 2 reacuteservoirs 2 reacuteservoirs 2 reacuteservoirs 2 reacuteservoirs

1300 Wht

2 reacuteservoirs

Temps de stockage (h) 7 7 75 3 2 93

Tempeacuterature haute (degC) 393 393 393 565

Tempeacuterature basse(degC) 293 293 298 288

Rendement 99

Cycle Type du cycle Rankine Rankine Rankine Rankine Rankine Rankine Rankine

Puissance eacutelectrique (MW) 50 50 50 100 50 50 150

Rendement 38 38

Pression (bar) 115

TS Tour solaire CP concentrateurs paraboliques

184

Annexe II Mateacuteriaux de stockage agrave chaleur latente (gt300degC) T

emp

eacuteratu

re d

e

fusi

on

(degC

)

Ch

ale

ur

late

nte

(kJk

g-1

)

Con

du

ctiv

iteacute

ther

miq

ue

(soli

de)

(W

m-1

K-

1)

Mass

e volu

miq

ue

(liq

uid

e) (

kgm

-3)

Ch

ale

ur

speacutec

ifiq

ue

(liq

uid

e) (

kJk

g-

1K

-1)

Den

siteacute

eacutener

geacutet

iqu

e

kW

ht

m-3

Coucirc

t d

u m

ateacute

riau

(eurok

g-1

)

Coucirc

t d

u m

ateacute

riau

(eurok

Wht-1

)

Sou

rces

NaNO3 307 174 05 2260 125 02 33 [47] [46] [24]

NaOH+NaCl+Na2CO3 (772-162-66)mol 318 290 [47]

KNO3-KCl 320 74 05 2100 [24]

LiCl+BaCl2+KCl (542-64-394)mol 320 170 [47]

KNO3 333ndash336 266 05 2110 156 02 37 [47] [46] [24]

Zn+Mg (52-48)m 340 180 [47]

LiCl+KCl (58-42)mol 348 170 [47]

Na2O2 360 314 [258]

KOH 380 1497 05 2044 85 09 217 [45] [259]

MgCl2+KCl+NaCl 380 400 1800 [45][24]

Zn 419 112 100 6760 048 [260]

LiOH+LiF (50-50)m 427 512 [258]

MgCl+NaCl (385-615)m 435 328 2160 [259]

Na2CO3+Li2CO3 (56-44)m 487 368 211 [47]

NaCl+CaCl2 (33-67)m 500 281 102 [47]

NaCO3+BaCO3+MgO 500-850 4154 5 2600 18 154 [45] [46] [24]

K2CO3+Li2CO3 (65ndash35)m 505 345 1960 18ndash23 [260]

KC1O4 527 1253 [258]

LiBr 550 203 [47]

AlSi12 576 560 160 2700 [45] [24]

AlSi20 585 460 [45] [24]

LiF+NaF+CaF2 (351-84-265)m 615 2820 [259]

185

Al 660 398 211-250 2380 118 [260] [47]

LiH 699 2678 [258]

MgCl2 714 452 2140 [45] [47] [24] [259]

LiF+CaF2 (805ndash195)m 767 790 17 2100 184 [24] [45]

NaCl 800-802 466-492 5 2160 01 11 [45] [46] [24] [259]

Na2CO3 854 2757 2 2533 11 23 [45] [46] [24] [259]

186

Annexe III Mateacuteriaux de stockage thermochimique SolideGaz (gt300degC)

Reacutea

ctio

n

En

thalp

ie d

e

reacuteact

ion

(kJm

ol G

-1)

En

trop

ie d

e

reacuteact

ion

(Jm

ol G

K-1

)

Tem

peacuter

atu

re

deacute

qu

ilib

re

(p=

1 b

ar)

(degC

)

Den

siteacute

eacutener

geacutet

iqu

e

(kW

hm

-3)

Sou

rce

Hydrure meacutetallique metalxH2+ΔHrharrmetalyH2 +(x-y)H2 - - 200-350 - [45] [47] [24] [261]

Hydroxyde de magneacutesium Mg(OH)2(s)+ΔHrharrMgO(s)+H2O(g) 800 1525 250ndash400 900 [45] [260] [47] [24]

Hydrure de magneacutesium MgH2 (s) + ΔHr harr Mg (s) + H2 (s) 75-79 300-450 1178 [260] [47] [262]

[263]

Chlorure dammonium NH4Cl(s)+ΔHrharrNH3(g)+HCl(g) 1761 2845 3460 1400 [264]

Carbonate de magneacutesium MgCO3(s)+ΔHrharrMgO(s)+CO2(g) 1172 1749 3967 1142 [264]

Bromure dammonium NH4Br(s)+ΔHrharrNH3(g)+HBr(g) 1883 2761 4088 1297 [264]

Hydroxyde de calcium Ca(OH)2(s)+ΔHrharrCaO(s)+H2O(g) 1044 13416 5050 783 [45] [260] [47] [24]

Dioxyde de manganegravese MnO2(s)+ΔHrharrfrac12Mn2O3 (s)+frac14O2(g) 420 5300 675 [47]

Dioxyde de potassium KO2(s)+ΔHrharrfrac12K2O(s)+3frasl4O2(g) 1010 6680 844 [260]

Carbonate de calcium CaCO3(s)+ΔHrharrCaO(s)+CO2(g) 170-180 1605 8200 1359 [45] [260] [47] [24]

Oxyde de sodium Na2O(s)+ΔHrharr2Na(g)+frac12O2(g) 6333 3370 16062 6442 [264]

Sulfate de calcium CaSO4(s)+ΔHrharrCaO(s)+SO3(g) 4024 1876 18718 1904 [264]

Carbonate de sodium Na2CO3(s)+ΔHrharrNa2O(s)+CO2(g) 3214 1477 19034 2139 [264]

Sulfate de lithium Li2SO4(s)+ΔHrharrLi2O(s)+SO3(g) 4434 1795 21972 2487 [264]

Carbonate de potassium K2CO3(s)+ΔHrharrK2O(s)+CO2(g) 3935 1523 23106 3290 [264]

Oxyde de lithium Li2O(s)+ΔHrharr2Li(g)+frac12O2(g) 9060 3419 23766 16 929 [264]

Sulfate de sodium Na2SO4(s)+ΔHrharrNa2O(s)+SO3(g) 5734 1795 29207 2 982 [264]

Oxyde de magneacutesium MgO(s)+ΔHrharrMg(g)+frac12O2(g) 7519 2241 30822 18 552 [264]

Oxyde de calcium CaO(s)+ΔHrharrCa(g)+frac12O2(g) 8277 2175 35320 13 735 [264]

Sulfate de potassium K2SO4(s)+ΔHrharrK2O(s)+SO3(g) 6753 1746 35939 2 863 [264]

Densiteacute eacutenergeacutetique du solide reacuteactif lorsqursquoil est dans sa forme part chimique uniquement 1S

187

Annexe IV Dispositif de tests de stabiliteacute de lrsquohuile de Jatropha

Bruleur agrave gaz

Reacuteacteur

188

Annexe V Meacutethode de calcul proprieacuteteacutes thermiques et du

coucirct des mateacuteriaux eacutelaboreacutes

Les proprieacuteteacutes thermiques (conductiviteacute thermique capaciteacute calorifique dilatation thermique)

des roches sont donc intimement lieacutees agrave sa composition mineacuteralogique ses proprieacuteteacutes chimiques

et physiques Les principaux paramegravetres influenccedilant les proprieacuteteacutes thermiques ont eacuteteacute mis en

eacutevidence par Clauser en 1988 [123] On peut citer Les mineacuteraux dominants la tempeacuterature la

pression la soliditeacute et lrsquoanisotropie et lrsquohomogeacuteneacuteiteacute La loi des meacutelanges aussi connue sous le

nom de loi de Neumann et Kopp laquo La chaleur speacutecifique molaire des combinaisons chimiques

solides est eacutegale agrave la somme des chaleurs speacutecifiques molaires des eacuteleacutements composants raquo a eacuteteacute

utiliseacutee pour estimer les proprieacuteteacutes Celle-ci est deacutecrite par lrsquoeacutequation

n

i

iim CnC1

Ougrave Cm est la capaciteacute calorifique calculeacutee agrave lrsquoaide de la loi des meacutelanges ni et C i respectivement

le pourcentage massique et la capaciteacute calorifique de la phase i Elle eacutevalue indirectement la

capaciteacute calorifique en Jmiddotm-3

middotdegC-1

A partir de la composition chimique (en pourcentage

massique) les coefficients sont combineacutes pour obtenir ceux du meacutelange drsquoapregraves lrsquoeacutequation de la

loi des meacutelanges Cette loi a eacutegalement eacuteteacute utiliseacutee pour le calcul des autres proprieacuteteacutes telles que

la conductiviteacute thermique et le coefficient de dilatation thermique

Afin drsquoeffectuer nos calculs les hypothegraveses suivantes ont eacuteteacute poseacutees (1) la tempeacuterature est

supposeacutee fixeacutee (2) le mateacuteriau supposeacute homogegravene en raison de la distribution aleacuteatoire des

mineacuteraux et de lorientation des grains (3) la pression constante (4) la soliditeacute est consideacutereacutee agrave

08 Ainsi la formule preacuteceacutedente est utiliseacutee avec un coefficient de 08 afin de prendre en compte

les autres imperfections du mateacuteriau Le tableau ci-dessous preacutesente les valeurs des proprieacuteteacutes

thermophysiques des phases utiliseacutees pour le calcul

Tableau des proprieacuteteacutes thermophysiques des phases [123248255]

Proprieacuteteacutes Uniteacute Mullite Anorthite Magnetite

Coefficient de dilatation 10-6

middotK-1

5 6 15 35

Conductiviteacute thermique Wmiddotm-1

middotK-1

3 6 11 26 5 7

Capaciteacute calorifique Jmiddotm-3

middotK-1

710 1250 800 1200 620 1150

189

Stockage thermique agrave base drsquoEco mateacuteriaux locaux pour

centrale solaire agrave concentration cas du pilote CSP4africa

Reacutesumeacute

Convaincu de lrsquointeacuterecirct et du potentiel des mateacuteriaux naturels et des deacutechets industriels

cette thegravese a contribueacute agrave la mise au point de mateacuteriaux de stockage de la chaleur (TESM)

pour les CSP en Afrique de lrsquoOuest Plus speacutecifiquement ce travail de recherche a porteacute

sur la valorisation de la lateacuterite du Burkina Faso des cendres de foyer des centrales agrave

charbon de la socieacuteteacute SONICHAR au Niger des reacutesidus en carbonate de calcium (chaux)

de lrsquoindustrie de production de lrsquoaceacutetylegravene au Burkina Faso et lrsquohuile veacutegeacutetale de

Jatropha curcas de la socieacuteteacute Belwet au Burkina Faso Les reacutesultats de cette eacutetude ont

permis de montrer que lrsquohuile de Jatropha curcas peut ecirctre consideacutereacutee comme une

alternative viable aux fluides de transfert et aux TESM conventionnels pour les CSP

fonctionnant agrave 210 degC Les mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir des cendres de foyer et de la

lateacuterite preacutesentent un caractegravere reacutefractaire en raison de la preacutesence de mullite et de

spinelle Lrsquoajout de chaux permet de reacuteduire le point de fusion tout en preacuteservant le

caractegravere reacutefractaire et conducteur des phases obtenues En raison de leurs stabiliteacutes et

lrsquoabsence de conflit dutilisation les mateacuteriaux obtenus peuvent ecirctre utiliseacutes comme

TESM dans CSP agrave des tempeacuteratures allant jusqursquoagrave 900 degC

Thermal energy storage based on local eco-materials for

concentrating solar power plants case of CSP4africa pilot

Abstract

Convinced of the interest and potential of natural materials and industrial waste this

thesis has contributed to the development of heat storage materials (TESM) for CSPs in

West Africa More specifically this research focused on the valorization of laterite from

Burkina Faso the bottom ashes from the coal-fired power plants of SONICHAR in

Niger residues of calcium carbonate (lime) from the acetylene in Burkina Faso and the

vegetable oil of Jatropha curcas from the company Belwet in Burkina Faso The results

of this study showed that Jatropha curcas oil can be considered as a viable alternative to

conventional HTF and TESM for CSP operating at 210 degC The materials elaborated

from bottom ashes and laterites present a refractory character due to the presence of

mullite and spinel The addition of lime makes it possible to reduce the melting

temperature while preserving the refractory and conductive character of the obtained

phases Due to their stabilities and the absence of conflict of use the obtained materials

can be used as TESM in CSP at temperatures up to 900 degC

Deacutelivreacute par

UNIVERSITE DE PERPIGNAN VIA DOMITIA

Preacutepareacutee au sein de lrsquoeacutecole doctorale

Eacutenergie et Environnement ED 305

Et de lrsquouniteacute de recherche

PROMES ndash CNRS UPR 8521


Preacutesenteacutee par


Soutenance preacutevue le 8 deacutecembre 2017 devant le jury composeacute de

M Dieudonneacute BATHIEBO Professeur Universiteacute de


Preacutesident

M Patrick ECHEGUT Directeur de Recherche CEMHTI-

CNRS Orleacuteans France

Rapporteur

M Salifou OUIMINGA Maitre de confeacuterences (CAMES)

Universiteacute de Ouagadougou I Burkina Faso

Rapporteur

M Emmanuel NANEMA Maicirctre de recherche (CAMES)

IRSAT - CNRST Burkina Faso

Examinateur

M Xavier PY Professeur CNRS-PROMES Universiteacute de

Perpignan France


M Yeacutezouma COULIBALY Maicirctre de confeacuterences (CAMES)

2iE Burkina Faso


M K Edem NrsquoTSOUKPOE Maitre de confeacuterences (CNU 62)

2iE Burkina Faso

Inviteacute

STOCKAGE THERMIQUE Agrave BASE DrsquoECO-

MATERIAUX LOCAUX POUR CENTRALE

SOLAIRE Agrave CONCENTRATION CAS DU

PILOTE CSP4AFRICA

THESE EN COTUTELLE





ET





Par







JURY




Faso

Preacutesident


France

Rapporteur



Rapporteur


Burkina Faso

Examinateur




0 i

Deacutedicaces



0 ii

Citations



Leonardo Da Vinci




Nelson Mandela

0 iii

Remerciements































de tous les jours





vous

0 iv

















professionnelles






Merci agrave tous

0 v




Introduction 2








































0 vi









Introduction 41




13 Les roches 47





132 Lrsquoargile 52









1421 La chaux 58




















0 vii

























4 Conclusion 77




Introduction 79


















0 viii
















3 Conclusion 102



Introduction 105

























chaux 126


0 ix






















140






6 Conclusion 150


BIBLIOGRAPHIE 158

Nomenclature 172



Annexes 178

0 1


0 2


























0 3



















kWh-1






(7421 g CO2 kWh-1








0 4









les plus faibles





an-1

)

















b)a)


Potentiel moyen

Potentiel faible

0 5


































utilisations


locales





Chapitre I 1


Chapitre I 2

Introduction





locale


















Chapitre I 3


concentreacutee


























Chaleur haute

tempeacuterature

Electriciteacute

Chaleur basse

tempeacuterature

ConversionChaleur

CollecteurFlux


Stockage thermique





Chapitre I 4


[18])










160 MW [19]















Miroirs

Reacuteflecteurs

Absorbeur

Conduites

Reacuteflecteur

Heacuteliostats





Chapitre I 5

































Cylindrop-

parabolique


lineacuteaires de

Fresnel

Centrale agrave

parabole de

Stirling




Facteur de


Chapitre I 6








contre 3000 l MWh-1








Rendement solaire-



Cycle

thermodynamique


Cycle agrave vapeur

Cycle organique de

Rankine


Brayton

Cycle de Bryton

Maturiteacute

commerciale


Possibiliteacutes



potentiel

Avantages

Long term proved

reliability and

durability



en œuvre

Tregraves haute

efficaciteacute

Composants

modulaires

Composants

modulaires

Composants

modulaires

Composants

modulaires

Compatible avec


Compatible avec


Hautes


fonctionnement

Compatible avec

les cycles

combineacutes

Limites



drsquoentretien

Faible

rendement

Pas de stockage

thermique

disponible

actuellement

Tempeacuterature de

fonctionnement


Structure complexe


le nettoyage des

miroirs et la

condensation

Tempeacuterature de

fonctionnement

limiteacutee



le nettoyage des

miroirs et la

condensation


le nettoyage des

miroirs et la

condensation

Chapitre I 7



























lrsquoOuest [35]


















Chapitre I 8









































Chapitre I 9











Ce



































Chapitre I 10




















Cout du TES ($kWhth) - 32330 31180 31000










stockage

DNI





Pu

issa

nce

eacutele

ctri

qu

e (

MW

)

Pu

issa

nce

th

erm

iqu

e (M

W)

(D

NI W

msup2)

Temps (h)

Chapitre I 11












(I-1)





Cp

(((kJmiddotkg-1

middotK-1

)

ρ

(kgmiddotm-3

)

ρtimesCp

(kWhtmiddotm-3

)

(ΔT=100 K)

λ

(Wmiddotm-1

middotK-1

)

Coucirct

(euromiddotkg-1

)


)

(ΔT=100 K)



Huile



Huile de

silicone 300 400 21 900 5250 01 452 774 [45ndash47]



Sels de nitrate 265 565 16 1 870 8311 052 063 142 [49]

Sels de

carbonate 450 850 18 2 100 10500 2 217 433 [45ndash47]

Sel de lithium



Roches 200 300 13 1700 6139 1 014 38 [45ndash47]

Fonte 200 400 056 7 200 11200 37 090 581 [45ndash47]




Briques


Ceacuteramiques




Chapitre I 12









(I-2)



















(I-3)









SSLSLL TCpmhmTCpmQ

LCp SCp

LSh

LTΔ

STΔ

BAhAB

2

1

Chapitre I 13











































Chapitre I 14




































100 kWhmiddotm-3






Chapitre I 15










environnemental


















Chapitre I 16


tour











[64ndash66]






eacuteconomique

EntreacuteeSortie

Reacuteservoir

Isolant

EntreacuteeSortie

Thermocline

Chapitre I 17










































Chapitre I 18














32 Les sels fondus





KNO3 7NaNO3)











conduites [75]














Chapitre I 19


























middotK-1


2 Wmiddotm-1

middotK-1


















Chapitre I 20






et

13 MJmiddotkg-1



































Chapitre I 21




















a) b)

COOH

COOH

COOH




Chapitre I 22



Arachide

Colza

Jatropha

Coton

Balanites

Palme

Soja

Tournesol



C80 Caprylic 0 0 0 0 0 0 0

C100 Caprique 0 0 0 0 0 0 0

C120 Laurique 0 0 0 0 01 0 0

C140 Myristic 0 0 0 07 12 0 0

C160 Palmitique 7 98 5 16 23 15 495 105 65


C200 Arachidique 2 16 06 0 02 03 04 03

C220 Behenic 13 0 0 01 0 05 11



C181n-9 Oleacuteique 50 503 58 416 195 35 359 222 269

C221n-9 Erucique 07 1 0 0 0 09 0





C183n-3 α-Linolenic 0 10 0 02 02 68 0

Chapitre I 23
































Chapitre I 24











e






2003 agrave 2013
















Chapitre I 25























middotdegK-1

) 014 014 014 014 014 014



middotdegK-1

) 2492 2502 2444 2677 2508 2440


) 787 778 798 774 787 805


middotdegK-1

) 1963 1965 1951 2072 1975 1953








de 25 MJmiddotm-3

middotdegK-1









Chapitre I 26























[106]


Produit

alteacutereacute

Inhibiteur


libres

Glyceacuterol Di-

glyceacuteride

Mono-

glyceacuteride

Eau filtreacutee


meacutecanisme

Oxygegravene

Meacutetal ions

Produits de

loxydation

Aldeacutehydes

Acides gras

libres

Acides gras


triglyceacuterides

Pheacutenolique

antioxydants

antiforme

agents azote


Catalyse des

acides

deacuteshydratation

H+

(acides)

Cations

moisissure

Produits de

loxydation

Aldeacutehydes

Acides gras

libres

triglyceacuterides

Antioxydants

Chapitre I 27

























telles que les CSP















Chapitre I 28



























chaleur



Seacutedimentaires


Magmatiques


Meacutetamorphiques

Folieacutee

Contact

Non-Folieacutee

Reacutegional


Chapitre I 29









middotdegK-1




middotdegK-1



middotdegK-1







C-1



middotdegC-1

















Chapitre I 30









middotK-1

Celle du



middotK-1























Chapitre I 31




























Pour la


















Chapitre I 32










































Chapitre I 33






et daugite







middotdegC-1


middotdegC-1

et le


K-1














Chapitre I 34









































Chapitre I 35





middotdegC-1


159 Wmiddotm-1

middotdegC-1


K-1

[12] Ces valeurs









middotdegC-1


21 Wmiddotm-1

middotdegC-1


K-1

















Verre

Ceacuteramique

Chapitre I 36























middotdegC-1

La



middotdegC-1


K-















Chapitre I 37





)








































Chapitre I 38





pour les industries
















Chapitre I 39













lrsquoOuest raquo


















lrsquoentreprise








identifieacutees

Chapitre II 40




Chapitre II 41

Introduction


















Chapitre II 42














K-1

et

1 W m-1

K-1


peuvent



ces critegraveres


Techniques


K-1

) [150]


K-1





Economiques


) [150]



Environnementaux


Ecobilan acceptable



Acceptabiliteacute










Chapitre II 43





bon impact social









2450 FCFAmiddotkg-1






























[2324]

Chapitre II 44
























VP-1 [165]

Xceltherm 600

[166]

Syltherm XLT

[167]

HVJC

Type - Aromatique

syntheacutetique


syntheacutetique

Veacutegeacutetale

Chapitre II 45


Oxide

(C12H10O)

Biphenyl

(C12H10)

Paraffine Dimethyl

Polysiloxane

(CH3)2SiO

(CH3)3SiO

Triglyceacuterides

Acides gras

libres

Tempeacuterature

maximale

drsquoutilisation

degC 400 316 260


[168169]

Point de feu degC 127 216 54 275 [169]

Point


degC 257 301 200 295 [169]

Point


agrave 1013 mbar

degC 12 -29 -11 3 [169]


lt02 - 001 11 [169]

Viscositeacute

cineacutematique

agrave 40 degC

mmsup2middots-1

248 155 11 30 [170]

32 [85171]

35 [169]

Viscositeacute

dynamique agrave

40 degC


Viscositeacute

dynamique agrave

210 degC


Densiteacute agrave

40deg C

kgmiddotm-3

1068 841 834 926

Densiteacute agrave

210deg C

kgmiddotm-3

904 736 660 802b

Conductiviteacute

thermique agrave

210 degC

Wmiddotm-1

middotK-1

011 013 006 014

Capaciteacute

calorifique agrave

210 degC

kJmiddotkg-1

middotdegC-1

2075 2643 2171 2509 [170]

Densiteacute


210 degC

kJmiddotm-3

middotdegC-1

1876 1945 1433 2012


25000d - 29400

d e [164]

835

Coucirct


ΔT=100 degC

euromiddotkWh-1

464 - 573 12

Gaz agrave effet

de serre


1

3 - - 2

Chapitre II 46










middotK-1



middotK-1



-1)


peuvent ecirctre









Syltherm XLT





















Chapitre II 47






























13 Les roches












Chapitre II 48



[176177]




fer






correspondantes



Roches megraveres

acides

(SiO2ge50)


Granite 7333 163 31 019


Argile 565 244 53 022

Roche megravere

basique (SiO2le50)

mafique et

ultramafique


Basalte 48 13 15 109













Chapitre II 49














lrsquoOuest


a) b)

Chapitre II 50





libre





(II-1)





( 1 )









(II-2)








( 2 )








2533 kgmiddotm-3


) entrainant un


Chapitre II 51































a) b)

Chapitre II 52









132 Lrsquoargile









(II-3)




lEquation (II-4)



(II-4)






argiles





pour la poterie





Chapitre II 53

































Spinelle

Alumine


(2)

(3) (5)

(4)

450-550 C 980-1100 C 1200 C

Chapitre II 54





























1200 Jmiddotkg-1

middotdegC-1


Chapitre II 55




middotK-1



middotK-1

[200] Par





















charbon

Chapitre II 56




















Charbon

Convoyeur

Pulveacuterisateur

Collecte des

cendres

Condenseur

Electriciteacute

Cendres

volantes

Cendres

Cendres

Cendres

Turbine agrave

vapeur


)

NOx 025

SO2 032




Chapitre II 57


) repreacutesentent



































II-8)

Chapitre II 58


Niger



















1421 La chaux









Tchirozeacuterine

Chapitre II 59



son origine












(II-5)





(II-6)











(II-7)


(II-8)





deacutechet


Chapitre II 60






2111 Viscositeacute




dazote





5 degC

2113 Densiteacute









2122 Teneur en eau











Chapitre II 61







ASTM D6595



2211 Meacutethode












la morphologie

















Chapitre II 62

2221 Meacutethode






































MEB

Chapitre II 63


2231 Meacutethode






















LabsysTM



la masse des




2241 Meacutethodes











Chapitre II 64




119879(119905) =4 middot ɸ


(II-10)







119879(t) =ɸ


(II-11)














(a) (b)

Chapitre II 65






















9054


426


78



15


(a) (b)

Chapitre II 66



11


















1468 042 005 307 2203 1607 276 8636 351
















Chapitre II 67
















massiques

Chapitre II 68


Composants (

poids)


LADA1 2253 5217 2244 172 113 - -

LADA3 3034 4154 2554 131 122 - -

LADA2 3216 3444 2904 243 194 - -

LADA4 3606 3541 2546 157 15 - -







silice (AZS)




thermique






Chapitre II 69























associeacutees

Chapitre II 70























lateacuterites

Chapitre II 71


Mateacuteriau

Perte

de

lrsquoeau

libre

Dehydroxylation

de la goethite en

heacutematite

Transformation

de la kaolinite en

meacutetakaolinite

Cristallisation

de la


spinelle

Formation

de la

mullite

Fusion


LADA1 87 318 516 - 1200 1410

LADA2 78 301 517 - 1210 1420

LADA3 83 303 522 968 1315 1411

LADA4 85 320 525 982 1320 1432













Conductiviteacute

thermique

Masse

volumique

Capaciteacute

calorifique


Wmiddotm-1

middotdegC-1

kgmiddotm-3

Jmiddotkg-3

middotdegC-1

MJmiddotm-3

middotdegC-1

LADA1 145 1894 803 152

LADA2 139 1806 840 151

LADA3 111 1905 821 156

LADA4 122 1906 851 163


middotK-1

et une


middotK-1




middotK-1

et 15 MJmiddotm-3

middotK-1







Chapitre II 72


fonceacutees











quartz





masse







Chapitre II 73
























-5

-3

-1

1

3

5

7

9

11

13

085

087

089

091

093

095

097

099

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Flu

x d

e ch

ale

ur

(microV

)

Perte

de

ma

sse (

)


TG BADSC BA

Chapitre II 74




















Chapitre II 75

























Chapitre II 76


















de stockage des CSP









Chaux de BIG

Cendres de foyer


LADA4

LADA3

LADA2

LADA1

Chapitre II 77

4 Conclusion



























Chapitre III 78





Chapitre III 79

Introduction






































Chapitre III 80



















500 C10 degCmin


210 C


Petite

eacutechelle

(30 ml)

Grande

eacutechelle

(21 l)

210 C

10 cycles


210 C


25 h

8h

8h210 C

500 h

Sous N2

10 cycles

Sous N2

Chapitre III 81




longues


























sous














Chapitre III 82


























huile

Thermocouple

Tested oil

Reactor

Thermal bath

Gaz burner

Temperature display

14 cm

24 cm

24 cm

15 cm5 cm

Graphite seal

Lid

Container

(a) (b)

Chapitre III 83
















20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

0 500 1000 1500 2000 2500

Tem

per

atu

re ( C

)

Time (min)

210 C

Chapitre III 84


statiques






210 degC




















20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Tem

per

atu

re ( C

)

Time (min)

8 h

210 C

Chapitre III 85





pendant les tests









1221 Viscositeacute




























Chapitre III 86










eacuteclair [225]

























eacuteleveacutee








Chapitre III 87






mesurer
























stabiliteacute












Chapitre III 88


























de la TG et DTA

211 Analyse TGDTA











Chapitre III 89


























-10

-8

-6

-4

-2

0

2

0

20

40

60

80

100

120

25 75 125 175 225 275 325 375 425 475

Der

iva

tiv

e w

eig

ht

(mg

min

)

Wei

gh

t lo

ss (

)

Temperature ( C)


265 C


390 C


475 C

TG

DTA

Pert

e d

e m

ass

e (

)


Deacuter

iveacutee

de

la m

ass

e (m

gm

in)




Chapitre III 90










mis en jeu
















0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25

Wei

gh

t lo

ss (

)

Time (h)

Pert

e d

e m

ass

e (

)

Temps (h)

Chapitre III 91


















7egraveme

et le 10egraveme

cycle avec


Chapitre III 92























0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vis

co

siteacute

cin

eacutem

ati

qu

e

(mm

sup2middots-

1)

Nombre de cycle


(a)

100

140

180

220

260

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Poin

t eacutec

lair

( C

)

Nombre de cycle


(b)

850

870

890

910

930

950

970

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Mass

e volu

miq

ue

(kgm

sup3)

Nombre de cycle



Chapitre III 93



























est observeacutee


Chapitre III 94























Cependant lindice




0

10

20

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Acid

iteacute (

mg

KO

Hmiddotg

-1)

Nombre de cycle



(a)

0

200

400

600

800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r en

ea

u (

pp

m)

Nombre de cycle



(b)

0

15

30

45

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice d

e p

eacuterox

yd

e (

mE

q0

2k

g)

Nombre de cycle



(c)

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice

di

od

e (g

de

I2)

Nombre de cyccle



Chapitre III 95





























0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r e

n F

er (

pp

m)

Nombre de cycle



(a)

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r e

n z

inc e

t p

lom

b (

pp

m)

Nombre de cycle


(b)

Chapitre III 96
















Cette








volatiliseacutees












Chapitre III 97


















0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vis

co

siteacute

cin

eacutem

ati

qu

e

40 C

(mm

sup2middots-

1)

Nombre de cycle

(a)

100

140

180

220

260

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Po

int

eacutecla

ir ( C

)

Nombre de cycle

(b)

850

890

930

970

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Mass

e v

olu

miq

ue (

kgm

sup3)

Nombre de cycle

(c)

Chapitre III 98





















0

10

20

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Acid

iteacute (

mg

KO

Hmiddotg

-1)

Nombre de cycle

(a)

0

200

400

600

800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r en

ea

u (

pp

m)

Nombre de cycle

(b)

0

15

30

45

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice d

e p

eacutero

xy

de (

mE

q0

2k

g)

Nombre de cycle

(c)

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice

di

od

e (

g d

e I2

)

Nombre de cycle

(d)

Chapitre III 99





























0

2

4

6

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r e

n F

er (

pp

m)

Nombre de cycle

(a)

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10T

en

eu

r en

Plo

mb

et

zin

c (

pp

m)

Nombre de cycle

Pb Zn(b)

Chapitre III 100










) 36 39


) 7 8




) 171 182


) 107 107


) 11 16





agrave celle
























Chapitre III 101



Chapitre III 102

3 Conclusion














galvaniseacute













lhuile















Chapitre III 103








Chapitre IV 104




Chapitre IV 105

Introduction

























Chapitre IV 106































Chapitre IV 107








































Chapitre IV 108
































(laquo

Chapitre IV 109










2 degCmiddotmin-1



























Chapitre IV 110











































Chapitre IV 111
















400 600 800 1000 et 1200 C

2 h 2 h 5 h

120 C

Temps

Tem

peacuter

atu

re

Chapitre IV 112











Figure IV-6














seacutelection







Chapitre IV 113



















middotK-1



middotK-1


(d)

(b)

(c)

(c)

Chapitre IV 114
































Chapitre IV 115

BSE

SE








LADA1_1200 4193 57 1171 059 179 3696

LADA2_1200 3017 1233 1254 042 257 4061

LADA3_1200 1905 1562 1379 068 33 427

LADA4_1200 1958 1885 1225 032 231 4362














Chapitre IV 116

































Chapitre IV 117













Chapitre IV 118


eacutelectrique



jusqursquoagrave la


preacutesence dair
















5 et 7 Wm-1

K-1






1100 C

2 h

10 h

Temps

Tem

peacutera

ture

Chapitre IV 119



















(a) (b)

(d)(c)

Chapitre IV 120
















K-1











middotK-1













Spinelle

Magneacutetite


Amorphe


Magneacutetite




Chapitre IV 121



















a) b)

c) d)

Chapitre IV 122




























Chapitre IV 123



















1200 C

2 h

10 h

Temps

Tem

peacutera

ture

Chapitre IV 124














Chapitre IV 125























chaleur



Chapitre IV 126





chaux



































Chapitre IV 127









BIG

















Slaked lime


LADA4

LADA3

Chaux eacuteteinte

Chapitre IV 128



























Chapitre IV 129

























Chapitre IV 130










mateacuteriau












(Figure IV-22-c)

Chapitre IV 131






















Magneacutetite

(Fe3O4)

a) b) c)

Chapitre IV 132











successifs







Chapitre IV 133



















Chapitre IV 134







1200 degC










Bottom ash


Slaked lime

Chapitre IV 135









ceacuteramiques








a) b) c) d)

Chapitre IV 136

























Pe

rte

de

mas

se (

)

Flu

x d

e c

hal

eu

r (micro

V)

Chapitre IV 137




























LADA1

(a)

Chaux de BIG

Cendres de foyer


LADA4

LADA3

LADA2

LADA1

(b)

Chapitre IV 138
























Chapitre IV 139















LADA1+75BA






















Chapitre IV 140













stockage actuels











-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

99

100

100

101

101

102

102

103

100 300 500 700 900 1100 1300 1500

Flu

x d

e ch

ale

ur

(microV

)

Vari

ati

on

de

mass

e (

)


TG

DSC

T= 800 C

Zone de transition

Zone Stable

Chapitre IV 141









Chapitre IV 142



haute

tempeacuterature

[50]

Ceacuteramique

de deacutechets

amianteacutes

[250]

Ceacuteramique

de cendres

volantes

[249]

Ceacuteramique

de cendres

volantes

+20 de

chaux [249]

LADA4

+20 SL

Ceacuteramique

des cendres

de foyer de

SONICHAR

BA+ 20 SL LADA1+25

BA


Wollastonite


Magnetite


Magnetite

Limite


a le 900a le 900

a le 750a

ρ

[kgmiddotm-3

] 3500 3120 2600 2760 3150

b 2640

b 2620

b 2870

b

Cp

[Jmiddotm-3

middotK-1

)] 866 860-1034 741-1300 700-1300 672

e-1047

e 710-1250 640

c-960

e 700

e-1200

e

ρtimesCp

[kJmiddotm-3

middotK-1

)] 3031 2496-3226 1911-3400 1932-3500 2100e-3300

e 1870

e-2640

e 1680

c-2515

e 1970

e-2700

e

λ

[Wmiddotm-1

middotK-1

)] 135 21-14 11-21 12-25 16

c-31

c 24-48

10-28 28

c-42

c

a

[10-6

middotK-1

] 118 88 4 - 21

e 4-185

e 185

e 27

e

Prix

[euromiddott-1

]) 4500-9000 80-100 10-1200 10-1200 10

d-430 0-420 0-420 10

d-430







Chapitre IV 143











14 Wmiddotm-1

middotK-1


middotK-1






middotK-1

et 1 Wmiddotm-1

middotK-1




































Chapitre IV 144























donc utiliseacutee



Chapitre IV 145




















Cette










1250 C

2 h

2 h 10 h

120 C

Temps

Tem

peacuter

atu

re

2 h

900 C

Chapitre IV 146


porositeacute















3 cm

a) b)

b)a)



Chapitre IV 147
















(LADA4+20SL)








Chapitre IV 148





en deux phases
















Chapitre IV 149



(LADA4+20SL)



















1300 C

2 h

2 h 3 h

120 C

Temps

Tem

peacuter

atu

re

1 h

950 C


Chapitre IV 150


















6 Conclusion





Chapitre IV 151












































Chapitre IV 152
















153


154










distinctes


































155














































156


De ces processus











































157





compactage




















158

Bibliographie











2015







2014 edition 2014






2013


2008



concentreacute 2013







Perpignan 2014












1481(98)00805-2

159






doi101016jrser201103031










2017)



doi101016jrser201301032



doi101016jenpol201110032










201318306ndash15 doi101016jrser201210030



2016311ndash13 doi101016jesd201511004





201318306ndash15 doi101016jrser201210030



doi101016jrser201301028










160









doi10111512807210




doi101016jrser200907035






2013 doi101016jpecs201302001





August 8 2015)











103 doi101016jenbuild201212042








2012









doi101080014576322012746152

161






704 doi101016jegypro201403075



doi10111511467922





doi101080014576322012746152








doi10111511824107















doi101016jrser200907035



Atlanta GA 2007


2008










162
























doi101016jrser201302018























2012 p 43ndash63





distribution 2017

163










doi10108010942910701586273














200481401ndash405










doi0931-598520000809-0543



1988141ndash154





2004181535ndash42 doi101021ef030156v



doi101016jfuel201201025







doi101007BF02536181

164





















technologies 2016




19953105ndash126



200328499ndash509 doi101016S1474-7065(03)00069-X








doi1010160148-9062(83)91609-1








2015



China 2014





165






doi101016jrser201512071




















doi101007s12649-016-9549-6



























166





2012165319ndash30 doi101016jrser201205028









2012e623070 doi1011552012623070 1011552012623070















2017)




2017)






June 2 2016)



2017)











167










7952(72)90034-8












20145014002 doi101061(ASCE)MT1943-55330001067



doi101016jcrte200310008



2009100133ndash9 doi101007s10973-009-0198-x

















198770837ndash842







168








1317(98)00005-2



366



200427235ndash9 doi101016jclay200406004



2003









200127517ndash22 doi101016S0272-8842(00)00110-3



doi10111513197844









doi101093bmbldg032









August 23 2015)





199978271ndash6 doi101016S0016-2361(98)00134-3

169



2004151932 doi1010880957-0233159034




















doi10106314949096





66322004000200017












doi101016S1350-4789(05)00546-5






doi101021cr60232a001






doi101016jrser201403055

170






doi10577259803



doi101179000705984798273245






doi101007s00217-003-0744-x



2006108999ndash1006 doi101002ejlt200600153




doi101111j1744-7402201002550x




















doi10106311660785









171
















doi101016S0196-8904(98)00025-9



83 doi101016S1359-4311(02)00192-8





doi103390ijms10010325





201432591ndash610 doi101016jrser201312014



172

Nomenclature


















173

Liste des tableaux























174

Liste des figures






(ADEME 2012) 3






16














drsquoamiante 33






















175






de BIG 76










volumique 92










drsquoiode 98










(bas) 112















176


1200 degC 124


1200 degC 125


chaux de BIG 127


(SL) 128







20SL) 131








134





























177


178

Annexes

179


Solar one

(1982-1988)


Station I (1984)

Solar two

(1996)

PS10

(2007)

Nevada

Solar one

(2007)

Champ

Solaire


Eacutetats Unis

Sevilla

Espagne

Boulder

Eacutetats Unis



-1) 2 725 2 012 2 606

Type CT CP CT CT CP

Reacutecepteur



( degC)

307 545 300 393


satureacutee

Vapeur

satureacutee

Composition Huile


2060 t de sable

60

NaNO3

40KNO3





Rendement 50



Rendement 315



180

Andasol I

(2008)

Juumllich

Solar Tower

(2008)

PS20

(2009)

Holaniku at

keahole point

(2009)

Andasol II

(2009)

Champ

Solaire

Lieu Aldiere

Espagne

Juumllich

Allemagne

Sevilla

Espagne

Keahole point

Etats unis




-1) 2 136 2 012 2 136

Type CP CT CT CP CP

Reacutecepteur



( degC)

393 680 300 176 393


satureacutee




28 000t 1010 MWh


36m


28 500t 1010 MWh


36m




Rendement



Rendement 16 16



181

Archimegravede

(2010)

La Florida

(2010)

La Dehesa

(2011)

Andasol III

(2011)

Gemasolar

thermosolar plant

(2011)

Lake

Cargelligo

(2011)

Champ

Solaire


Italie

Badajoz

Espagne

La Garrovilla

Espagne

Aldeire Fuentes de

Andalucia

Espagne

Lake Cargelligo

Australie



-1) 1 936 2 200 2 172




Bipheacutenyl

Oxyde

Dipheacutenyl

Bipheacutenyl

Oxyde



( degC)

550 393 393 393 565 500



40KNO3

60 NaNO3 40

KNO3


hauteur 65 m

diamegravetre 135 m

2 reacuteservoirs

29 000 t

2 reacuteservoirs

29 000 t

2 reacuteservoirs

indirects

2 reacuteservoirs

directs




Rendement



Rendement 1560 3810 3810

Pression (bar) 100 100 100 50


182

Arcosol 50

(2011)

La Africana

(2012)

Beijing Badaling

Solar Tower

(2012)

Supcon

Solar

Projet

(2013)

Crescent Dunes

Solar Energy

(2013)

Solana

Generating Station

(2013)

Champ

Solaire


Valle

Espagne

Posadas

Espagne


Chine


Eacutetats Unis




-1) 1 950 1 290

Type CP CP CP CT CP

Reacutecepteur


40KNO3

Therminol VP-1



satureacutee


Composition


28 500 t





Rendement 99



Rendement 38



183

Arenales

(2013)

Caceres

(2013)

Casablanca

(2013)

Kaxu solar

One (2014)

Khi Solar One

(2014)

Bokpoort

(2015)

Rice solar

energy projet

(2016)

Champ

Solaire

Lieu Moron de

la Frontera

Espagne

Valdepbispo

Espagne

Talarrubias

Espagne

Poffader

Afrique du Sud

Upington

Afrique du Sud

Globershoop

Afrique du Sud



DNI (kWhm-2

an-1

) 2 598


Reacutecepteur


Bipheacutenyl

Oxyde

Dipheacutenyl

Bipheacutenyl

Oxyde

Therminol VP-

1

Vapeur

satureacutee



(degC)

393 393 393 565


satureacutee


Composition


1300 Wht

2 reacuteservoirs




Rendement 99



Rendement 38 38

Pression (bar) 115


184


emp

eacuteratu

re d

e

fusi

on

(degC

)

Ch

ale

ur

late

nte

(kJk

g-1

)

Con

du

ctiv

iteacute

ther

miq

ue

(soli

de)

(W

m-1

K-

1)

Mass

e volu

miq

ue

(liq

uid

e) (

kgm

-3)

Ch

ale

ur

speacutec

ifiq

ue

(liq

uid

e) (

kJk

g-

1K

-1)

Den

siteacute

eacutener

geacutet

iqu

e

kW

ht

m-3

Coucirc

t d

u m

ateacute

riau

(eurok

g-1

)

Coucirc

t d

u m

ateacute

riau

(eurok

Wht-1

)

Sou

rces

NaNO3 307 174 05 2260 125 02 33 [47] [46] [24]


KNO3-KCl 320 74 05 2100 [24]

LiCl+BaCl2+KCl (542-64-394)mol 320 170 [47]

KNO3 333ndash336 266 05 2110 156 02 37 [47] [46] [24]

Zn+Mg (52-48)m 340 180 [47]

LiCl+KCl (58-42)mol 348 170 [47]

Na2O2 360 314 [258]

KOH 380 1497 05 2044 85 09 217 [45] [259]

MgCl2+KCl+NaCl 380 400 1800 [45][24]

Zn 419 112 100 6760 048 [260]

LiOH+LiF (50-50)m 427 512 [258]

MgCl+NaCl (385-615)m 435 328 2160 [259]

Na2CO3+Li2CO3 (56-44)m 487 368 211 [47]

NaCl+CaCl2 (33-67)m 500 281 102 [47]

NaCO3+BaCO3+MgO 500-850 4154 5 2600 18 154 [45] [46] [24]


KC1O4 527 1253 [258]

LiBr 550 203 [47]

AlSi12 576 560 160 2700 [45] [24]

AlSi20 585 460 [45] [24]

LiF+NaF+CaF2 (351-84-265)m 615 2820 [259]

185

Al 660 398 211-250 2380 118 [260] [47]

LiH 699 2678 [258]

MgCl2 714 452 2140 [45] [47] [24] [259]

LiF+CaF2 (805ndash195)m 767 790 17 2100 184 [24] [45]

NaCl 800-802 466-492 5 2160 01 11 [45] [46] [24] [259]

Na2CO3 854 2757 2 2533 11 23 [45] [46] [24] [259]

186


Reacutea

ctio

n

En

thalp

ie d

e

reacuteact

ion

(kJm

ol G

-1)

En

trop

ie d

e

reacuteact

ion

(Jm

ol G

K-1

)

Tem

peacuter

atu

re

deacute

qu

ilib

re

(p=

1 b

ar)

(degC

)

Den

siteacute

eacutener

geacutet

iqu

e

(kW

hm

-3)

Sou

rce




[263]



















187


Bruleur agrave gaz

Reacuteacteur

188











n

i

iim CnC1




middotdegC-1














middotK-1

5 6 15 35


middotK-1

3 6 11 26 5 7


middotK-1

710 1250 800 1200 620 1150

189



Reacutesumeacute


















Abstract














THESE EN COTUTELLE





ET





Par







JURY




Faso

Preacutesident


France

Rapporteur



Rapporteur


Burkina Faso

Examinateur




0 i

Deacutedicaces



0 ii

Citations



Leonardo Da Vinci




Nelson Mandela

0 iii

Remerciements































de tous les jours





vous

0 iv

















professionnelles






Merci agrave tous

0 v




Introduction 2








































0 vi









Introduction 41




13 Les roches 47





132 Lrsquoargile 52









1421 La chaux 58




















0 vii

























4 Conclusion 77




Introduction 79


















0 viii
















3 Conclusion 102



Introduction 105

























chaux 126


0 ix






















140






6 Conclusion 150


BIBLIOGRAPHIE 158

Nomenclature 172



Annexes 178

0 1


0 2


























0 3



















kWh-1






(7421 g CO2 kWh-1








0 4









les plus faibles





an-1

)

















b)a)


Potentiel moyen

Potentiel faible

0 5


































utilisations


locales





Chapitre I 1


Chapitre I 2

Introduction





locale


















Chapitre I 3


concentreacutee


























Chaleur haute

tempeacuterature

Electriciteacute

Chaleur basse

tempeacuterature

ConversionChaleur

CollecteurFlux


Stockage thermique





Chapitre I 4


[18])










160 MW [19]















Miroirs

Reacuteflecteurs

Absorbeur

Conduites

Reacuteflecteur

Heacuteliostats





Chapitre I 5

































Cylindrop-

parabolique


lineacuteaires de

Fresnel

Centrale agrave

parabole de

Stirling




Facteur de


Chapitre I 6








contre 3000 l MWh-1








Rendement solaire-



Cycle

thermodynamique


Cycle agrave vapeur

Cycle organique de

Rankine


Brayton

Cycle de Bryton

Maturiteacute

commerciale


Possibiliteacutes



potentiel

Avantages

Long term proved

reliability and

durability



en œuvre

Tregraves haute

efficaciteacute

Composants

modulaires

Composants

modulaires

Composants

modulaires

Composants

modulaires

Compatible avec


Compatible avec


Hautes


fonctionnement

Compatible avec

les cycles

combineacutes

Limites



drsquoentretien

Faible

rendement

Pas de stockage

thermique

disponible

actuellement

Tempeacuterature de

fonctionnement


Structure complexe


le nettoyage des

miroirs et la

condensation

Tempeacuterature de

fonctionnement

limiteacutee



le nettoyage des

miroirs et la

condensation


le nettoyage des

miroirs et la

condensation

Chapitre I 7



























lrsquoOuest [35]


















Chapitre I 8









































Chapitre I 9











Ce



































Chapitre I 10




















Cout du TES ($kWhth) - 32330 31180 31000










stockage

DNI





Pu

issa

nce

eacutele

ctri

qu

e (

MW

)

Pu

issa

nce

th

erm

iqu

e (M

W)

(D

NI W

msup2)

Temps (h)

Chapitre I 11












(I-1)





Cp

(((kJmiddotkg-1

middotK-1

)

ρ

(kgmiddotm-3

)

ρtimesCp

(kWhtmiddotm-3

)

(ΔT=100 K)

λ

(Wmiddotm-1

middotK-1

)

Coucirct

(euromiddotkg-1

)


)

(ΔT=100 K)



Huile



Huile de

silicone 300 400 21 900 5250 01 452 774 [45ndash47]



Sels de nitrate 265 565 16 1 870 8311 052 063 142 [49]

Sels de

carbonate 450 850 18 2 100 10500 2 217 433 [45ndash47]

Sel de lithium



Roches 200 300 13 1700 6139 1 014 38 [45ndash47]

Fonte 200 400 056 7 200 11200 37 090 581 [45ndash47]




Briques


Ceacuteramiques




Chapitre I 12









(I-2)



















(I-3)









SSLSLL TCpmhmTCpmQ

LCp SCp

LSh

LTΔ

STΔ

BAhAB

2

1

Chapitre I 13











































Chapitre I 14




































100 kWhmiddotm-3






Chapitre I 15










environnemental


















Chapitre I 16


tour











[64ndash66]






eacuteconomique

EntreacuteeSortie

Reacuteservoir

Isolant

EntreacuteeSortie

Thermocline

Chapitre I 17










































Chapitre I 18














32 Les sels fondus





KNO3 7NaNO3)











conduites [75]














Chapitre I 19


























middotK-1


2 Wmiddotm-1

middotK-1


















Chapitre I 20






et

13 MJmiddotkg-1



































Chapitre I 21




















a) b)

COOH

COOH

COOH




Chapitre I 22



Arachide

Colza

Jatropha

Coton

Balanites

Palme

Soja

Tournesol



C80 Caprylic 0 0 0 0 0 0 0

C100 Caprique 0 0 0 0 0 0 0

C120 Laurique 0 0 0 0 01 0 0

C140 Myristic 0 0 0 07 12 0 0

C160 Palmitique 7 98 5 16 23 15 495 105 65


C200 Arachidique 2 16 06 0 02 03 04 03

C220 Behenic 13 0 0 01 0 05 11



C181n-9 Oleacuteique 50 503 58 416 195 35 359 222 269

C221n-9 Erucique 07 1 0 0 0 09 0





C183n-3 α-Linolenic 0 10 0 02 02 68 0

Chapitre I 23
































Chapitre I 24











e






2003 agrave 2013
















Chapitre I 25























middotdegK-1

) 014 014 014 014 014 014



middotdegK-1

) 2492 2502 2444 2677 2508 2440


) 787 778 798 774 787 805


middotdegK-1

) 1963 1965 1951 2072 1975 1953








de 25 MJmiddotm-3

middotdegK-1









Chapitre I 26























[106]


Produit

alteacutereacute

Inhibiteur


libres

Glyceacuterol Di-

glyceacuteride

Mono-

glyceacuteride

Eau filtreacutee


meacutecanisme

Oxygegravene

Meacutetal ions

Produits de

loxydation

Aldeacutehydes

Acides gras

libres

Acides gras


triglyceacuterides

Pheacutenolique

antioxydants

antiforme

agents azote


Catalyse des

acides

deacuteshydratation

H+

(acides)

Cations

moisissure

Produits de

loxydation

Aldeacutehydes

Acides gras

libres

triglyceacuterides

Antioxydants

Chapitre I 27

























telles que les CSP















Chapitre I 28



























chaleur



Seacutedimentaires


Magmatiques


Meacutetamorphiques

Folieacutee

Contact

Non-Folieacutee

Reacutegional


Chapitre I 29









middotdegK-1




middotdegK-1



middotdegK-1







C-1



middotdegC-1

















Chapitre I 30









middotK-1

Celle du



middotK-1























Chapitre I 31




























Pour la


















Chapitre I 32










































Chapitre I 33






et daugite







middotdegC-1


middotdegC-1

et le


K-1














Chapitre I 34









































Chapitre I 35





middotdegC-1


159 Wmiddotm-1

middotdegC-1


K-1

[12] Ces valeurs









middotdegC-1


21 Wmiddotm-1

middotdegC-1


K-1

















Verre

Ceacuteramique

Chapitre I 36























middotdegC-1

La



middotdegC-1


K-















Chapitre I 37





)








































Chapitre I 38





pour les industries
















Chapitre I 39













lrsquoOuest raquo


















lrsquoentreprise








identifieacutees

Chapitre II 40




Chapitre II 41

Introduction


















Chapitre II 42














K-1

et

1 W m-1

K-1


peuvent



ces critegraveres


Techniques


K-1

) [150]


K-1





Economiques


) [150]



Environnementaux


Ecobilan acceptable



Acceptabiliteacute










Chapitre II 43





bon impact social









2450 FCFAmiddotkg-1






























[2324]

Chapitre II 44
























VP-1 [165]

Xceltherm 600

[166]

Syltherm XLT

[167]

HVJC

Type - Aromatique

syntheacutetique


syntheacutetique

Veacutegeacutetale

Chapitre II 45


Oxide

(C12H10O)

Biphenyl

(C12H10)

Paraffine Dimethyl

Polysiloxane

(CH3)2SiO

(CH3)3SiO

Triglyceacuterides

Acides gras

libres

Tempeacuterature

maximale

drsquoutilisation

degC 400 316 260


[168169]

Point de feu degC 127 216 54 275 [169]

Point


degC 257 301 200 295 [169]

Point


agrave 1013 mbar

degC 12 -29 -11 3 [169]


lt02 - 001 11 [169]

Viscositeacute

cineacutematique

agrave 40 degC

mmsup2middots-1

248 155 11 30 [170]

32 [85171]

35 [169]

Viscositeacute

dynamique agrave

40 degC


Viscositeacute

dynamique agrave

210 degC


Densiteacute agrave

40deg C

kgmiddotm-3

1068 841 834 926

Densiteacute agrave

210deg C

kgmiddotm-3

904 736 660 802b

Conductiviteacute

thermique agrave

210 degC

Wmiddotm-1

middotK-1

011 013 006 014

Capaciteacute

calorifique agrave

210 degC

kJmiddotkg-1

middotdegC-1

2075 2643 2171 2509 [170]

Densiteacute


210 degC

kJmiddotm-3

middotdegC-1

1876 1945 1433 2012


25000d - 29400

d e [164]

835

Coucirct


ΔT=100 degC

euromiddotkWh-1

464 - 573 12

Gaz agrave effet

de serre


1

3 - - 2

Chapitre II 46










middotK-1



middotK-1



-1)


peuvent ecirctre









Syltherm XLT





















Chapitre II 47






























13 Les roches












Chapitre II 48



[176177]




fer






correspondantes



Roches megraveres

acides

(SiO2ge50)


Granite 7333 163 31 019


Argile 565 244 53 022

Roche megravere

basique (SiO2le50)

mafique et

ultramafique


Basalte 48 13 15 109













Chapitre II 49














lrsquoOuest


a) b)

Chapitre II 50





libre





(II-1)





( 1 )









(II-2)








( 2 )








2533 kgmiddotm-3


) entrainant un


Chapitre II 51































a) b)

Chapitre II 52









132 Lrsquoargile









(II-3)




lEquation (II-4)



(II-4)






argiles





pour la poterie





Chapitre II 53

































Spinelle

Alumine


(2)

(3) (5)

(4)

450-550 C 980-1100 C 1200 C

Chapitre II 54





























1200 Jmiddotkg-1

middotdegC-1


Chapitre II 55




middotK-1



middotK-1

[200] Par





















charbon

Chapitre II 56




















Charbon

Convoyeur

Pulveacuterisateur

Collecte des

cendres

Condenseur

Electriciteacute

Cendres

volantes

Cendres

Cendres

Cendres

Turbine agrave

vapeur


)

NOx 025

SO2 032




Chapitre II 57


) repreacutesentent



































II-8)

Chapitre II 58


Niger



















1421 La chaux









Tchirozeacuterine

Chapitre II 59



son origine












(II-5)





(II-6)











(II-7)


(II-8)





deacutechet


Chapitre II 60






2111 Viscositeacute




dazote





5 degC

2113 Densiteacute









2122 Teneur en eau











Chapitre II 61







ASTM D6595



2211 Meacutethode












la morphologie

















Chapitre II 62

2221 Meacutethode






































MEB

Chapitre II 63


2231 Meacutethode






















LabsysTM



la masse des




2241 Meacutethodes











Chapitre II 64




119879(119905) =4 middot ɸ


(II-10)







119879(t) =ɸ


(II-11)














(a) (b)

Chapitre II 65






















9054


426


78



15


(a) (b)

Chapitre II 66



11


















1468 042 005 307 2203 1607 276 8636 351
















Chapitre II 67
















massiques

Chapitre II 68


Composants (

poids)


LADA1 2253 5217 2244 172 113 - -

LADA3 3034 4154 2554 131 122 - -

LADA2 3216 3444 2904 243 194 - -

LADA4 3606 3541 2546 157 15 - -







silice (AZS)




thermique






Chapitre II 69























associeacutees

Chapitre II 70























lateacuterites

Chapitre II 71


Mateacuteriau

Perte

de

lrsquoeau

libre

Dehydroxylation

de la goethite en

heacutematite

Transformation

de la kaolinite en

meacutetakaolinite

Cristallisation

de la


spinelle

Formation

de la

mullite

Fusion


LADA1 87 318 516 - 1200 1410

LADA2 78 301 517 - 1210 1420

LADA3 83 303 522 968 1315 1411

LADA4 85 320 525 982 1320 1432













Conductiviteacute

thermique

Masse

volumique

Capaciteacute

calorifique


Wmiddotm-1

middotdegC-1

kgmiddotm-3

Jmiddotkg-3

middotdegC-1

MJmiddotm-3

middotdegC-1

LADA1 145 1894 803 152

LADA2 139 1806 840 151

LADA3 111 1905 821 156

LADA4 122 1906 851 163


middotK-1

et une


middotK-1




middotK-1

et 15 MJmiddotm-3

middotK-1







Chapitre II 72


fonceacutees











quartz





masse







Chapitre II 73
























-5

-3

-1

1

3

5

7

9

11

13

085

087

089

091

093

095

097

099

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Flu

x d

e ch

ale

ur

(microV

)

Perte

de

ma

sse (

)


TG BADSC BA

Chapitre II 74




















Chapitre II 75

























Chapitre II 76


















de stockage des CSP









Chaux de BIG

Cendres de foyer


LADA4

LADA3

LADA2

LADA1

Chapitre II 77

4 Conclusion



























Chapitre III 78





Chapitre III 79

Introduction






































Chapitre III 80



















500 C10 degCmin


210 C


Petite

eacutechelle

(30 ml)

Grande

eacutechelle

(21 l)

210 C

10 cycles


210 C


25 h

8h

8h210 C

500 h

Sous N2

10 cycles

Sous N2

Chapitre III 81




longues


























sous














Chapitre III 82


























huile

Thermocouple

Tested oil

Reactor

Thermal bath

Gaz burner

Temperature display

14 cm

24 cm

24 cm

15 cm5 cm

Graphite seal

Lid

Container

(a) (b)

Chapitre III 83
















20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

0 500 1000 1500 2000 2500

Tem

per

atu

re ( C

)

Time (min)

210 C

Chapitre III 84


statiques






210 degC




















20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Tem

per

atu

re ( C

)

Time (min)

8 h

210 C

Chapitre III 85





pendant les tests









1221 Viscositeacute




























Chapitre III 86










eacuteclair [225]

























eacuteleveacutee








Chapitre III 87






mesurer
























stabiliteacute












Chapitre III 88


























de la TG et DTA

211 Analyse TGDTA











Chapitre III 89


























-10

-8

-6

-4

-2

0

2

0

20

40

60

80

100

120

25 75 125 175 225 275 325 375 425 475

Der

iva

tiv

e w

eig

ht

(mg

min

)

Wei

gh

t lo

ss (

)

Temperature ( C)


265 C


390 C


475 C

TG

DTA

Pert

e d

e m

ass

e (

)


Deacuter

iveacutee

de

la m

ass

e (m

gm

in)




Chapitre III 90










mis en jeu
















0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25

Wei

gh

t lo

ss (

)

Time (h)

Pert

e d

e m

ass

e (

)

Temps (h)

Chapitre III 91


















7egraveme

et le 10egraveme

cycle avec


Chapitre III 92























0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vis

co

siteacute

cin

eacutem

ati

qu

e

(mm

sup2middots-

1)

Nombre de cycle


(a)

100

140

180

220

260

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Poin

t eacutec

lair

( C

)

Nombre de cycle


(b)

850

870

890

910

930

950

970

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Mass

e volu

miq

ue

(kgm

sup3)

Nombre de cycle



Chapitre III 93



























est observeacutee


Chapitre III 94























Cependant lindice




0

10

20

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Acid

iteacute (

mg

KO

Hmiddotg

-1)

Nombre de cycle



(a)

0

200

400

600

800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r en

ea

u (

pp

m)

Nombre de cycle



(b)

0

15

30

45

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice d

e p

eacuterox

yd

e (

mE

q0

2k

g)

Nombre de cycle



(c)

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice

di

od

e (g

de

I2)

Nombre de cyccle



Chapitre III 95





























0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r e

n F

er (

pp

m)

Nombre de cycle



(a)

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r e

n z

inc e

t p

lom

b (

pp

m)

Nombre de cycle


(b)

Chapitre III 96
















Cette








volatiliseacutees












Chapitre III 97


















0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vis

co

siteacute

cin

eacutem

ati

qu

e

40 C

(mm

sup2middots-

1)

Nombre de cycle

(a)

100

140

180

220

260

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Po

int

eacutecla

ir ( C

)

Nombre de cycle

(b)

850

890

930

970

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Mass

e v

olu

miq

ue (

kgm

sup3)

Nombre de cycle

(c)

Chapitre III 98





















0

10

20

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Acid

iteacute (

mg

KO

Hmiddotg

-1)

Nombre de cycle

(a)

0

200

400

600

800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r en

ea

u (

pp

m)

Nombre de cycle

(b)

0

15

30

45

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice d

e p

eacutero

xy

de (

mE

q0

2k

g)

Nombre de cycle

(c)

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice

di

od

e (

g d

e I2

)

Nombre de cycle

(d)

Chapitre III 99





























0

2

4

6

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r e

n F

er (

pp

m)

Nombre de cycle

(a)

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10T

en

eu

r en

Plo

mb

et

zin

c (

pp

m)

Nombre de cycle

Pb Zn(b)

Chapitre III 100










) 36 39


) 7 8




) 171 182


) 107 107


) 11 16





agrave celle
























Chapitre III 101



Chapitre III 102

3 Conclusion














galvaniseacute













lhuile















Chapitre III 103








Chapitre IV 104




Chapitre IV 105

Introduction

























Chapitre IV 106































Chapitre IV 107








































Chapitre IV 108
































(laquo

Chapitre IV 109










2 degCmiddotmin-1



























Chapitre IV 110











































Chapitre IV 111
















400 600 800 1000 et 1200 C

2 h 2 h 5 h

120 C

Temps

Tem

peacuter

atu

re

Chapitre IV 112











Figure IV-6














seacutelection







Chapitre IV 113



















middotK-1



middotK-1


(d)

(b)

(c)

(c)

Chapitre IV 114
































Chapitre IV 115

BSE

SE








LADA1_1200 4193 57 1171 059 179 3696

LADA2_1200 3017 1233 1254 042 257 4061

LADA3_1200 1905 1562 1379 068 33 427

LADA4_1200 1958 1885 1225 032 231 4362














Chapitre IV 116

































Chapitre IV 117













Chapitre IV 118


eacutelectrique



jusqursquoagrave la


preacutesence dair
















5 et 7 Wm-1

K-1






1100 C

2 h

10 h

Temps

Tem

peacutera

ture

Chapitre IV 119



















(a) (b)

(d)(c)

Chapitre IV 120
















K-1











middotK-1













Spinelle

Magneacutetite


Amorphe


Magneacutetite




Chapitre IV 121



















a) b)

c) d)

Chapitre IV 122




























Chapitre IV 123



















1200 C

2 h

10 h

Temps

Tem

peacutera

ture

Chapitre IV 124














Chapitre IV 125























chaleur



Chapitre IV 126





chaux



































Chapitre IV 127









BIG

















Slaked lime


LADA4

LADA3

Chaux eacuteteinte

Chapitre IV 128



























Chapitre IV 129

























Chapitre IV 130










mateacuteriau












(Figure IV-22-c)

Chapitre IV 131






















Magneacutetite

(Fe3O4)

a) b) c)

Chapitre IV 132











successifs







Chapitre IV 133



















Chapitre IV 134







1200 degC










Bottom ash


Slaked lime

Chapitre IV 135









ceacuteramiques








a) b) c) d)

Chapitre IV 136

























Pe

rte

de

mas

se (

)

Flu

x d

e c

hal

eu

r (micro

V)

Chapitre IV 137




























LADA1

(a)

Chaux de BIG

Cendres de foyer


LADA4

LADA3

LADA2

LADA1

(b)

Chapitre IV 138
























Chapitre IV 139















LADA1+75BA






















Chapitre IV 140













stockage actuels











-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

99

100

100

101

101

102

102

103

100 300 500 700 900 1100 1300 1500

Flu

x d

e ch

ale

ur

(microV

)

Vari

ati

on

de

mass

e (

)


TG

DSC

T= 800 C

Zone de transition

Zone Stable

Chapitre IV 141









Chapitre IV 142



haute

tempeacuterature

[50]

Ceacuteramique

de deacutechets

amianteacutes

[250]

Ceacuteramique

de cendres

volantes

[249]

Ceacuteramique

de cendres

volantes

+20 de

chaux [249]

LADA4

+20 SL

Ceacuteramique

des cendres

de foyer de

SONICHAR

BA+ 20 SL LADA1+25

BA


Wollastonite


Magnetite


Magnetite

Limite


a le 900a le 900

a le 750a

ρ

[kgmiddotm-3

] 3500 3120 2600 2760 3150

b 2640

b 2620

b 2870

b

Cp

[Jmiddotm-3

middotK-1

)] 866 860-1034 741-1300 700-1300 672

e-1047

e 710-1250 640

c-960

e 700

e-1200

e

ρtimesCp

[kJmiddotm-3

middotK-1

)] 3031 2496-3226 1911-3400 1932-3500 2100e-3300

e 1870

e-2640

e 1680

c-2515

e 1970

e-2700

e

λ

[Wmiddotm-1

middotK-1

)] 135 21-14 11-21 12-25 16

c-31

c 24-48

10-28 28

c-42

c

a

[10-6

middotK-1

] 118 88 4 - 21

e 4-185

e 185

e 27

e

Prix

[euromiddott-1

]) 4500-9000 80-100 10-1200 10-1200 10

d-430 0-420 0-420 10

d-430







Chapitre IV 143











14 Wmiddotm-1

middotK-1


middotK-1






middotK-1

et 1 Wmiddotm-1

middotK-1




































Chapitre IV 144























donc utiliseacutee



Chapitre IV 145




















Cette










1250 C

2 h

2 h 10 h

120 C

Temps

Tem

peacuter

atu

re

2 h

900 C

Chapitre IV 146


porositeacute















3 cm

a) b)

b)a)



Chapitre IV 147
















(LADA4+20SL)








Chapitre IV 148





en deux phases
















Chapitre IV 149



(LADA4+20SL)



















1300 C

2 h

2 h 3 h

120 C

Temps

Tem

peacuter

atu

re

1 h

950 C


Chapitre IV 150


















6 Conclusion





Chapitre IV 151












































Chapitre IV 152
















153


154










distinctes


































155














































156


De ces processus











































157





compactage




















158

Bibliographie











2015







2014 edition 2014






2013


2008



concentreacute 2013







Perpignan 2014












1481(98)00805-2

159






doi101016jrser201103031










2017)



doi101016jrser201301032



doi101016jenpol201110032










201318306ndash15 doi101016jrser201210030



2016311ndash13 doi101016jesd201511004





201318306ndash15 doi101016jrser201210030



doi101016jrser201301028










160









doi10111512807210




doi101016jrser200907035






2013 doi101016jpecs201302001





August 8 2015)











103 doi101016jenbuild201212042








2012









doi101080014576322012746152

161






704 doi101016jegypro201403075



doi10111511467922





doi101080014576322012746152








doi10111511824107















doi101016jrser200907035



Atlanta GA 2007


2008










162
























doi101016jrser201302018























2012 p 43ndash63





distribution 2017

163










doi10108010942910701586273














200481401ndash405










doi0931-598520000809-0543



1988141ndash154





2004181535ndash42 doi101021ef030156v



doi101016jfuel201201025







doi101007BF02536181

164





















technologies 2016




19953105ndash126



200328499ndash509 doi101016S1474-7065(03)00069-X








doi1010160148-9062(83)91609-1








2015



China 2014





165






doi101016jrser201512071




















doi101007s12649-016-9549-6



























166





2012165319ndash30 doi101016jrser201205028









2012e623070 doi1011552012623070 1011552012623070















2017)




2017)






June 2 2016)



2017)











167










7952(72)90034-8












20145014002 doi101061(ASCE)MT1943-55330001067



doi101016jcrte200310008



2009100133ndash9 doi101007s10973-009-0198-x

















198770837ndash842







168








1317(98)00005-2



366



200427235ndash9 doi101016jclay200406004



2003









200127517ndash22 doi101016S0272-8842(00)00110-3



doi10111513197844









doi101093bmbldg032









August 23 2015)





199978271ndash6 doi101016S0016-2361(98)00134-3

169



2004151932 doi1010880957-0233159034




















doi10106314949096





66322004000200017












doi101016S1350-4789(05)00546-5






doi101021cr60232a001






doi101016jrser201403055

170






doi10577259803



doi101179000705984798273245






doi101007s00217-003-0744-x



2006108999ndash1006 doi101002ejlt200600153




doi101111j1744-7402201002550x




















doi10106311660785









171
















doi101016S0196-8904(98)00025-9



83 doi101016S1359-4311(02)00192-8





doi103390ijms10010325





201432591ndash610 doi101016jrser201312014



172

Nomenclature


















173

Liste des tableaux























174

Liste des figures






(ADEME 2012) 3






16














drsquoamiante 33






















175






de BIG 76










volumique 92










drsquoiode 98










(bas) 112















176


1200 degC 124


1200 degC 125


chaux de BIG 127


(SL) 128







20SL) 131








134





























177


178

Annexes

179


Solar one

(1982-1988)


Station I (1984)

Solar two

(1996)

PS10

(2007)

Nevada

Solar one

(2007)

Champ

Solaire


Eacutetats Unis

Sevilla

Espagne

Boulder

Eacutetats Unis



-1) 2 725 2 012 2 606

Type CT CP CT CT CP

Reacutecepteur



( degC)

307 545 300 393


satureacutee

Vapeur

satureacutee

Composition Huile


2060 t de sable

60

NaNO3

40KNO3





Rendement 50



Rendement 315



180

Andasol I

(2008)

Juumllich

Solar Tower

(2008)

PS20

(2009)

Holaniku at

keahole point

(2009)

Andasol II

(2009)

Champ

Solaire

Lieu Aldiere

Espagne

Juumllich

Allemagne

Sevilla

Espagne

Keahole point

Etats unis




-1) 2 136 2 012 2 136

Type CP CT CT CP CP

Reacutecepteur



( degC)

393 680 300 176 393


satureacutee




28 000t 1010 MWh


36m


28 500t 1010 MWh


36m




Rendement



Rendement 16 16



181

Archimegravede

(2010)

La Florida

(2010)

La Dehesa

(2011)

Andasol III

(2011)

Gemasolar

thermosolar plant

(2011)

Lake

Cargelligo

(2011)

Champ

Solaire


Italie

Badajoz

Espagne

La Garrovilla

Espagne

Aldeire Fuentes de

Andalucia

Espagne

Lake Cargelligo

Australie



-1) 1 936 2 200 2 172




Bipheacutenyl

Oxyde

Dipheacutenyl

Bipheacutenyl

Oxyde



( degC)

550 393 393 393 565 500



40KNO3

60 NaNO3 40

KNO3


hauteur 65 m

diamegravetre 135 m

2 reacuteservoirs

29 000 t

2 reacuteservoirs

29 000 t

2 reacuteservoirs

indirects

2 reacuteservoirs

directs




Rendement



Rendement 1560 3810 3810

Pression (bar) 100 100 100 50


182

Arcosol 50

(2011)

La Africana

(2012)

Beijing Badaling

Solar Tower

(2012)

Supcon

Solar

Projet

(2013)

Crescent Dunes

Solar Energy

(2013)

Solana

Generating Station

(2013)

Champ

Solaire


Valle

Espagne

Posadas

Espagne


Chine


Eacutetats Unis




-1) 1 950 1 290

Type CP CP CP CT CP

Reacutecepteur


40KNO3

Therminol VP-1



satureacutee


Composition


28 500 t





Rendement 99



Rendement 38



183

Arenales

(2013)

Caceres

(2013)

Casablanca

(2013)

Kaxu solar

One (2014)

Khi Solar One

(2014)

Bokpoort

(2015)

Rice solar

energy projet

(2016)

Champ

Solaire

Lieu Moron de

la Frontera

Espagne

Valdepbispo

Espagne

Talarrubias

Espagne

Poffader

Afrique du Sud

Upington

Afrique du Sud

Globershoop

Afrique du Sud



DNI (kWhm-2

an-1

) 2 598


Reacutecepteur


Bipheacutenyl

Oxyde

Dipheacutenyl

Bipheacutenyl

Oxyde

Therminol VP-

1

Vapeur

satureacutee



(degC)

393 393 393 565


satureacutee


Composition


1300 Wht

2 reacuteservoirs




Rendement 99



Rendement 38 38

Pression (bar) 115


184


emp

eacuteratu

re d

e

fusi

on

(degC

)

Ch

ale

ur

late

nte

(kJk

g-1

)

Con

du

ctiv

iteacute

ther

miq

ue

(soli

de)

(W

m-1

K-

1)

Mass

e volu

miq

ue

(liq

uid

e) (

kgm

-3)

Ch

ale

ur

speacutec

ifiq

ue

(liq

uid

e) (

kJk

g-

1K

-1)

Den

siteacute

eacutener

geacutet

iqu

e

kW

ht

m-3

Coucirc

t d

u m

ateacute

riau

(eurok

g-1

)

Coucirc

t d

u m

ateacute

riau

(eurok

Wht-1

)

Sou

rces

NaNO3 307 174 05 2260 125 02 33 [47] [46] [24]


KNO3-KCl 320 74 05 2100 [24]

LiCl+BaCl2+KCl (542-64-394)mol 320 170 [47]

KNO3 333ndash336 266 05 2110 156 02 37 [47] [46] [24]

Zn+Mg (52-48)m 340 180 [47]

LiCl+KCl (58-42)mol 348 170 [47]

Na2O2 360 314 [258]

KOH 380 1497 05 2044 85 09 217 [45] [259]

MgCl2+KCl+NaCl 380 400 1800 [45][24]

Zn 419 112 100 6760 048 [260]

LiOH+LiF (50-50)m 427 512 [258]

MgCl+NaCl (385-615)m 435 328 2160 [259]

Na2CO3+Li2CO3 (56-44)m 487 368 211 [47]

NaCl+CaCl2 (33-67)m 500 281 102 [47]

NaCO3+BaCO3+MgO 500-850 4154 5 2600 18 154 [45] [46] [24]


KC1O4 527 1253 [258]

LiBr 550 203 [47]

AlSi12 576 560 160 2700 [45] [24]

AlSi20 585 460 [45] [24]

LiF+NaF+CaF2 (351-84-265)m 615 2820 [259]

185

Al 660 398 211-250 2380 118 [260] [47]

LiH 699 2678 [258]

MgCl2 714 452 2140 [45] [47] [24] [259]

LiF+CaF2 (805ndash195)m 767 790 17 2100 184 [24] [45]

NaCl 800-802 466-492 5 2160 01 11 [45] [46] [24] [259]

Na2CO3 854 2757 2 2533 11 23 [45] [46] [24] [259]

186


Reacutea

ctio

n

En

thalp

ie d

e

reacuteact

ion

(kJm

ol G

-1)

En

trop

ie d

e

reacuteact

ion

(Jm

ol G

K-1

)

Tem

peacuter

atu

re

deacute

qu

ilib

re

(p=

1 b

ar)

(degC

)

Den

siteacute

eacutener

geacutet

iqu

e

(kW

hm

-3)

Sou

rce




[263]



















187


Bruleur agrave gaz

Reacuteacteur

188











n

i

iim CnC1




middotdegC-1














middotK-1

5 6 15 35


middotK-1

3 6 11 26 5 7


middotK-1

710 1250 800 1200 620 1150

189



Reacutesumeacute


















Abstract














0 i

Deacutedicaces



0 ii

Citations



Leonardo Da Vinci




Nelson Mandela

0 iii

Remerciements































de tous les jours





vous

0 iv

















professionnelles






Merci agrave tous

0 v




Introduction 2








































0 vi









Introduction 41




13 Les roches 47





132 Lrsquoargile 52









1421 La chaux 58




















0 vii

























4 Conclusion 77




Introduction 79


















0 viii
















3 Conclusion 102



Introduction 105

























chaux 126


0 ix






















140






6 Conclusion 150


BIBLIOGRAPHIE 158

Nomenclature 172



Annexes 178

0 1


0 2


























0 3



















kWh-1






(7421 g CO2 kWh-1








0 4









les plus faibles





an-1

)

















b)a)


Potentiel moyen

Potentiel faible

0 5


































utilisations


locales





Chapitre I 1


Chapitre I 2

Introduction





locale


















Chapitre I 3


concentreacutee


























Chaleur haute

tempeacuterature

Electriciteacute

Chaleur basse

tempeacuterature

ConversionChaleur

CollecteurFlux


Stockage thermique





Chapitre I 4


[18])










160 MW [19]















Miroirs

Reacuteflecteurs

Absorbeur

Conduites

Reacuteflecteur

Heacuteliostats





Chapitre I 5

































Cylindrop-

parabolique


lineacuteaires de

Fresnel

Centrale agrave

parabole de

Stirling




Facteur de


Chapitre I 6








contre 3000 l MWh-1








Rendement solaire-



Cycle

thermodynamique


Cycle agrave vapeur

Cycle organique de

Rankine


Brayton

Cycle de Bryton

Maturiteacute

commerciale


Possibiliteacutes



potentiel

Avantages

Long term proved

reliability and

durability



en œuvre

Tregraves haute

efficaciteacute

Composants

modulaires

Composants

modulaires

Composants

modulaires

Composants

modulaires

Compatible avec


Compatible avec


Hautes


fonctionnement

Compatible avec

les cycles

combineacutes

Limites



drsquoentretien

Faible

rendement

Pas de stockage

thermique

disponible

actuellement

Tempeacuterature de

fonctionnement


Structure complexe


le nettoyage des

miroirs et la

condensation

Tempeacuterature de

fonctionnement

limiteacutee



le nettoyage des

miroirs et la

condensation


le nettoyage des

miroirs et la

condensation

Chapitre I 7



























lrsquoOuest [35]


















Chapitre I 8









































Chapitre I 9











Ce



































Chapitre I 10




















Cout du TES ($kWhth) - 32330 31180 31000










stockage

DNI





Pu

issa

nce

eacutele

ctri

qu

e (

MW

)

Pu

issa

nce

th

erm

iqu

e (M

W)

(D

NI W

msup2)

Temps (h)

Chapitre I 11












(I-1)





Cp

(((kJmiddotkg-1

middotK-1

)

ρ

(kgmiddotm-3

)

ρtimesCp

(kWhtmiddotm-3

)

(ΔT=100 K)

λ

(Wmiddotm-1

middotK-1

)

Coucirct

(euromiddotkg-1

)


)

(ΔT=100 K)



Huile



Huile de

silicone 300 400 21 900 5250 01 452 774 [45ndash47]



Sels de nitrate 265 565 16 1 870 8311 052 063 142 [49]

Sels de

carbonate 450 850 18 2 100 10500 2 217 433 [45ndash47]

Sel de lithium



Roches 200 300 13 1700 6139 1 014 38 [45ndash47]

Fonte 200 400 056 7 200 11200 37 090 581 [45ndash47]




Briques


Ceacuteramiques




Chapitre I 12









(I-2)



















(I-3)









SSLSLL TCpmhmTCpmQ

LCp SCp

LSh

LTΔ

STΔ

BAhAB

2

1

Chapitre I 13











































Chapitre I 14




































100 kWhmiddotm-3






Chapitre I 15










environnemental


















Chapitre I 16


tour











[64ndash66]






eacuteconomique

EntreacuteeSortie

Reacuteservoir

Isolant

EntreacuteeSortie

Thermocline

Chapitre I 17










































Chapitre I 18














32 Les sels fondus





KNO3 7NaNO3)











conduites [75]














Chapitre I 19


























middotK-1


2 Wmiddotm-1

middotK-1


















Chapitre I 20






et

13 MJmiddotkg-1



































Chapitre I 21




















a) b)

COOH

COOH

COOH




Chapitre I 22



Arachide

Colza

Jatropha

Coton

Balanites

Palme

Soja

Tournesol



C80 Caprylic 0 0 0 0 0 0 0

C100 Caprique 0 0 0 0 0 0 0

C120 Laurique 0 0 0 0 01 0 0

C140 Myristic 0 0 0 07 12 0 0

C160 Palmitique 7 98 5 16 23 15 495 105 65


C200 Arachidique 2 16 06 0 02 03 04 03

C220 Behenic 13 0 0 01 0 05 11



C181n-9 Oleacuteique 50 503 58 416 195 35 359 222 269

C221n-9 Erucique 07 1 0 0 0 09 0





C183n-3 α-Linolenic 0 10 0 02 02 68 0

Chapitre I 23
































Chapitre I 24











e






2003 agrave 2013
















Chapitre I 25























middotdegK-1

) 014 014 014 014 014 014



middotdegK-1

) 2492 2502 2444 2677 2508 2440


) 787 778 798 774 787 805


middotdegK-1

) 1963 1965 1951 2072 1975 1953








de 25 MJmiddotm-3

middotdegK-1









Chapitre I 26























[106]


Produit

alteacutereacute

Inhibiteur


libres

Glyceacuterol Di-

glyceacuteride

Mono-

glyceacuteride

Eau filtreacutee


meacutecanisme

Oxygegravene

Meacutetal ions

Produits de

loxydation

Aldeacutehydes

Acides gras

libres

Acides gras


triglyceacuterides

Pheacutenolique

antioxydants

antiforme

agents azote


Catalyse des

acides

deacuteshydratation

H+

(acides)

Cations

moisissure

Produits de

loxydation

Aldeacutehydes

Acides gras

libres

triglyceacuterides

Antioxydants

Chapitre I 27

























telles que les CSP















Chapitre I 28



























chaleur



Seacutedimentaires


Magmatiques


Meacutetamorphiques

Folieacutee

Contact

Non-Folieacutee

Reacutegional


Chapitre I 29









middotdegK-1




middotdegK-1



middotdegK-1







C-1



middotdegC-1

















Chapitre I 30









middotK-1

Celle du



middotK-1























Chapitre I 31




























Pour la


















Chapitre I 32










































Chapitre I 33






et daugite







middotdegC-1


middotdegC-1

et le


K-1














Chapitre I 34









































Chapitre I 35





middotdegC-1


159 Wmiddotm-1

middotdegC-1


K-1

[12] Ces valeurs









middotdegC-1


21 Wmiddotm-1

middotdegC-1


K-1

















Verre

Ceacuteramique

Chapitre I 36























middotdegC-1

La



middotdegC-1


K-















Chapitre I 37





)








































Chapitre I 38





pour les industries
















Chapitre I 39













lrsquoOuest raquo


















lrsquoentreprise








identifieacutees

Chapitre II 40




Chapitre II 41

Introduction


















Chapitre II 42














K-1

et

1 W m-1

K-1


peuvent



ces critegraveres


Techniques


K-1

) [150]


K-1





Economiques


) [150]



Environnementaux


Ecobilan acceptable



Acceptabiliteacute










Chapitre II 43





bon impact social









2450 FCFAmiddotkg-1






























[2324]

Chapitre II 44
























VP-1 [165]

Xceltherm 600

[166]

Syltherm XLT

[167]

HVJC

Type - Aromatique

syntheacutetique


syntheacutetique

Veacutegeacutetale

Chapitre II 45


Oxide

(C12H10O)

Biphenyl

(C12H10)

Paraffine Dimethyl

Polysiloxane

(CH3)2SiO

(CH3)3SiO

Triglyceacuterides

Acides gras

libres

Tempeacuterature

maximale

drsquoutilisation

degC 400 316 260


[168169]

Point de feu degC 127 216 54 275 [169]

Point


degC 257 301 200 295 [169]

Point


agrave 1013 mbar

degC 12 -29 -11 3 [169]


lt02 - 001 11 [169]

Viscositeacute

cineacutematique

agrave 40 degC

mmsup2middots-1

248 155 11 30 [170]

32 [85171]

35 [169]

Viscositeacute

dynamique agrave

40 degC


Viscositeacute

dynamique agrave

210 degC


Densiteacute agrave

40deg C

kgmiddotm-3

1068 841 834 926

Densiteacute agrave

210deg C

kgmiddotm-3

904 736 660 802b

Conductiviteacute

thermique agrave

210 degC

Wmiddotm-1

middotK-1

011 013 006 014

Capaciteacute

calorifique agrave

210 degC

kJmiddotkg-1

middotdegC-1

2075 2643 2171 2509 [170]

Densiteacute


210 degC

kJmiddotm-3

middotdegC-1

1876 1945 1433 2012


25000d - 29400

d e [164]

835

Coucirct


ΔT=100 degC

euromiddotkWh-1

464 - 573 12

Gaz agrave effet

de serre


1

3 - - 2

Chapitre II 46










middotK-1



middotK-1



-1)


peuvent ecirctre









Syltherm XLT





















Chapitre II 47






























13 Les roches












Chapitre II 48



[176177]




fer






correspondantes



Roches megraveres

acides

(SiO2ge50)


Granite 7333 163 31 019


Argile 565 244 53 022

Roche megravere

basique (SiO2le50)

mafique et

ultramafique


Basalte 48 13 15 109













Chapitre II 49














lrsquoOuest


a) b)

Chapitre II 50





libre





(II-1)





( 1 )









(II-2)








( 2 )








2533 kgmiddotm-3


) entrainant un


Chapitre II 51































a) b)

Chapitre II 52









132 Lrsquoargile









(II-3)




lEquation (II-4)



(II-4)






argiles





pour la poterie





Chapitre II 53

































Spinelle

Alumine


(2)

(3) (5)

(4)

450-550 C 980-1100 C 1200 C

Chapitre II 54





























1200 Jmiddotkg-1

middotdegC-1


Chapitre II 55




middotK-1



middotK-1

[200] Par





















charbon

Chapitre II 56




















Charbon

Convoyeur

Pulveacuterisateur

Collecte des

cendres

Condenseur

Electriciteacute

Cendres

volantes

Cendres

Cendres

Cendres

Turbine agrave

vapeur


)

NOx 025

SO2 032




Chapitre II 57


) repreacutesentent



































II-8)

Chapitre II 58


Niger



















1421 La chaux









Tchirozeacuterine

Chapitre II 59



son origine












(II-5)





(II-6)











(II-7)


(II-8)





deacutechet


Chapitre II 60






2111 Viscositeacute




dazote





5 degC

2113 Densiteacute









2122 Teneur en eau











Chapitre II 61







ASTM D6595



2211 Meacutethode












la morphologie

















Chapitre II 62

2221 Meacutethode






































MEB

Chapitre II 63


2231 Meacutethode






















LabsysTM



la masse des




2241 Meacutethodes











Chapitre II 64




119879(119905) =4 middot ɸ


(II-10)







119879(t) =ɸ


(II-11)














(a) (b)

Chapitre II 65






















9054


426


78



15


(a) (b)

Chapitre II 66



11


















1468 042 005 307 2203 1607 276 8636 351
















Chapitre II 67
















massiques

Chapitre II 68


Composants (

poids)


LADA1 2253 5217 2244 172 113 - -

LADA3 3034 4154 2554 131 122 - -

LADA2 3216 3444 2904 243 194 - -

LADA4 3606 3541 2546 157 15 - -







silice (AZS)




thermique






Chapitre II 69























associeacutees

Chapitre II 70























lateacuterites

Chapitre II 71


Mateacuteriau

Perte

de

lrsquoeau

libre

Dehydroxylation

de la goethite en

heacutematite

Transformation

de la kaolinite en

meacutetakaolinite

Cristallisation

de la


spinelle

Formation

de la

mullite

Fusion


LADA1 87 318 516 - 1200 1410

LADA2 78 301 517 - 1210 1420

LADA3 83 303 522 968 1315 1411

LADA4 85 320 525 982 1320 1432













Conductiviteacute

thermique

Masse

volumique

Capaciteacute

calorifique


Wmiddotm-1

middotdegC-1

kgmiddotm-3

Jmiddotkg-3

middotdegC-1

MJmiddotm-3

middotdegC-1

LADA1 145 1894 803 152

LADA2 139 1806 840 151

LADA3 111 1905 821 156

LADA4 122 1906 851 163


middotK-1

et une


middotK-1




middotK-1

et 15 MJmiddotm-3

middotK-1







Chapitre II 72


fonceacutees











quartz





masse







Chapitre II 73
























-5

-3

-1

1

3

5

7

9

11

13

085

087

089

091

093

095

097

099

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Flu

x d

e ch

ale

ur

(microV

)

Perte

de

ma

sse (

)


TG BADSC BA

Chapitre II 74




















Chapitre II 75

























Chapitre II 76


















de stockage des CSP









Chaux de BIG

Cendres de foyer


LADA4

LADA3

LADA2

LADA1

Chapitre II 77

4 Conclusion



























Chapitre III 78





Chapitre III 79

Introduction






































Chapitre III 80



















500 C10 degCmin


210 C


Petite

eacutechelle

(30 ml)

Grande

eacutechelle

(21 l)

210 C

10 cycles


210 C


25 h

8h

8h210 C

500 h

Sous N2

10 cycles

Sous N2

Chapitre III 81




longues


























sous














Chapitre III 82


























huile

Thermocouple

Tested oil

Reactor

Thermal bath

Gaz burner

Temperature display

14 cm

24 cm

24 cm

15 cm5 cm

Graphite seal

Lid

Container

(a) (b)

Chapitre III 83
















20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

0 500 1000 1500 2000 2500

Tem

per

atu

re ( C

)

Time (min)

210 C

Chapitre III 84


statiques






210 degC




















20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Tem

per

atu

re ( C

)

Time (min)

8 h

210 C

Chapitre III 85





pendant les tests









1221 Viscositeacute




























Chapitre III 86










eacuteclair [225]

























eacuteleveacutee








Chapitre III 87






mesurer
























stabiliteacute












Chapitre III 88


























de la TG et DTA

211 Analyse TGDTA











Chapitre III 89


























-10

-8

-6

-4

-2

0

2

0

20

40

60

80

100

120

25 75 125 175 225 275 325 375 425 475

Der

iva

tiv

e w

eig

ht

(mg

min

)

Wei

gh

t lo

ss (

)

Temperature ( C)


265 C


390 C


475 C

TG

DTA

Pert

e d

e m

ass

e (

)


Deacuter

iveacutee

de

la m

ass

e (m

gm

in)




Chapitre III 90










mis en jeu
















0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25

Wei

gh

t lo

ss (

)

Time (h)

Pert

e d

e m

ass

e (

)

Temps (h)

Chapitre III 91


















7egraveme

et le 10egraveme

cycle avec


Chapitre III 92























0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vis

co

siteacute

cin

eacutem

ati

qu

e

(mm

sup2middots-

1)

Nombre de cycle


(a)

100

140

180

220

260

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Poin

t eacutec

lair

( C

)

Nombre de cycle


(b)

850

870

890

910

930

950

970

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Mass

e volu

miq

ue

(kgm

sup3)

Nombre de cycle



Chapitre III 93



























est observeacutee


Chapitre III 94























Cependant lindice




0

10

20

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Acid

iteacute (

mg

KO

Hmiddotg

-1)

Nombre de cycle



(a)

0

200

400

600

800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r en

ea

u (

pp

m)

Nombre de cycle



(b)

0

15

30

45

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice d

e p

eacuterox

yd

e (

mE

q0

2k

g)

Nombre de cycle



(c)

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice

di

od

e (g

de

I2)

Nombre de cyccle



Chapitre III 95





























0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r e

n F

er (

pp

m)

Nombre de cycle



(a)

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r e

n z

inc e

t p

lom

b (

pp

m)

Nombre de cycle


(b)

Chapitre III 96
















Cette








volatiliseacutees












Chapitre III 97


















0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vis

co

siteacute

cin

eacutem

ati

qu

e

40 C

(mm

sup2middots-

1)

Nombre de cycle

(a)

100

140

180

220

260

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Po

int

eacutecla

ir ( C

)

Nombre de cycle

(b)

850

890

930

970

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Mass

e v

olu

miq

ue (

kgm

sup3)

Nombre de cycle

(c)

Chapitre III 98





















0

10

20

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Acid

iteacute (

mg

KO

Hmiddotg

-1)

Nombre de cycle

(a)

0

200

400

600

800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r en

ea

u (

pp

m)

Nombre de cycle

(b)

0

15

30

45

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice d

e p

eacutero

xy

de (

mE

q0

2k

g)

Nombre de cycle

(c)

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ind

ice

di

od

e (

g d

e I2

)

Nombre de cycle

(d)

Chapitre III 99





























0

2

4

6

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

eu

r e

n F

er (

pp

m)

Nombre de cycle

(a)

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10T

en

eu

r en

Plo

mb

et

zin

c (

pp

m)

Nombre de cycle

Pb Zn(b)

Chapitre III 100










) 36 39


) 7 8




) 171 182


) 107 107


) 11 16





agrave celle
























Chapitre III 101



Chapitre III 102

3 Conclusion














galvaniseacute













lhuile















Chapitre III 103








Chapitre IV 104




Chapitre IV 105

Introduction

























Chapitre IV 106































Chapitre IV 107








































Chapitre IV 108
































(laquo

Chapitre IV 109










2 degCmiddotmin-1



























Chapitre IV 110











































Chapitre IV 111
















400 600 800 1000 et 1200 C

2 h 2 h 5 h

120 C

Temps

Tem

peacuter

atu

re

Chapitre IV 112











Figure IV-6














seacutelection







Chapitre IV 113



















middotK-1



middotK-1


(d)

(b)

(c)

(c)

Chapitre IV 114
































Chapitre IV 115

BSE

SE








LADA1_1200 4193 57 1171 059 179 3696

LADA2_1200 3017 1233 1254 042 257 4061

LADA3_1200 1905 1562 1379 068 33 427

LADA4_1200 1958 1885 1225 032 231 4362














Chapitre IV 116

































Chapitre IV 117













Chapitre IV 118


eacutelectrique



jusqursquoagrave la


preacutesence dair
















5 et 7 Wm-1

K-1






1100 C

2 h

10 h

Temps

Tem

peacutera

ture

Chapitre IV 119



















(a) (b)

(d)(c)

Chapitre IV 120
















K-1











middotK-1













Spinelle

Magneacutetite


Amorphe


Magneacutetite




Chapitre IV 121



















a) b)

c) d)

Chapitre IV 122




























Chapitre IV 123



















1200 C

2 h

10 h

Temps

Tem

peacutera

ture

Chapitre IV 124














Chapitre IV 125























chaleur



Chapitre IV 126





chaux



































Chapitre IV 127









BIG

















Slaked lime


LADA4

LADA3

Chaux eacuteteinte

Chapitre IV 128



























Chapitre IV 129

























Chapitre IV 130










mateacuteriau












(Figure IV-22-c)

Chapitre IV 131






















Magneacutetite

(Fe3O4)

a) b) c)

Chapitre IV 132











successifs







Chapitre IV 133



















Chapitre IV 134







1200 degC










Bottom ash


Slaked lime

Chapitre IV 135









ceacuteramiques








a) b) c) d)

Chapitre IV 136

























Pe

rte

de

mas

se (

)

Flu

x d

e c

hal

eu

r (micro

V)

Chapitre IV 137




























LADA1

(a)

Chaux de BIG

Cendres de foyer


LADA4

LADA3

LADA2

LADA1

(b)

Chapitre IV 138
























Chapitre IV 139















LADA1+75BA






















Chapitre IV 140













stockage actuels











-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

99

100

100

101

101

102

102

103

100 300 500 700 900 1100 1300 1500

Flu

x d

e ch

ale

ur

(microV

)

Vari

ati

on

de

mass

e (

)


TG

DSC

T= 800 C

Zone de transition

Zone Stable

Chapitre IV 141









Chapitre IV 142



haute

tempeacuterature

[50]

Ceacuteramique

de deacutechets

amianteacutes

[250]

Ceacuteramique

de cendres

volantes

[249]

Ceacuteramique

de cendres

volantes

+20 de

chaux [249]

LADA4

+20 SL

Ceacuteramique

des cendres

de foyer de

SONICHAR

BA+ 20 SL LADA1+25

BA


Wollastonite


Magnetite


Magnetite

Limite


a le 900a le 900

a le 750a

ρ

[kgmiddotm-3

] 3500 3120 2600 2760 3150

b 2640

b 2620

b 2870

b

Cp

[Jmiddotm-3

middotK-1

)] 866 860-1034 741-1300 700-1300 672

e-1047

e 710-1250 640

c-960

e 700

e-1200

e

ρtimesCp

[kJmiddotm-3

middotK-1

)] 3031 2496-3226 1911-3400 1932-3500 2100e-3300

e 1870

e-2640

e 1680

c-2515

e 1970

e-2700

e

λ

[Wmiddotm-1

middotK-1

)] 135 21-14 11-21 12-25 16

c-31

c 24-48

10-28 28

c-42

c

a

[10-6

middotK-1

] 118 88 4 - 21

e 4-185

e 185

e 27

e

Prix

[euromiddott-1

]) 4500-9000 80-100 10-1200 10-1200 10

d-430 0-420 0-420 10

d-430







Chapitre IV 143











14 Wmiddotm-1

middotK-1


middotK-1






middotK-1

et 1 Wmiddotm-1

middotK-1




































Chapitre IV 144























donc utiliseacutee



Chapitre IV 145




















Cette










1250 C

2 h

2 h 10 h

120 C

Temps

Tem

peacuter

atu

re

2 h

900 C

Chapitre IV 146


porositeacute















3 cm

a) b)

b)a)



Chapitre IV 147
















(LADA4+20SL)








Chapitre IV 148





en deux phases
















Chapitre IV 149



(LADA4+20SL)



















1300 C

2 h

2 h 3 h

120 C

Temps

Tem

peacuter

atu

re

1 h

950 C


Chapitre IV 150


















6 Conclusion





Chapitre IV 151












































Chapitre IV 152
















153


154










distinctes


































155














































156


De ces processus











































157





compactage




















158

Bibliographie











2015







2014 edition 2014






2013


2008



concentreacute 2013







Perpignan 2014












1481(98)00805-2

159






doi101016jrser201103031










2017)



doi101016jrser201301032



doi101016jenpol201110032










201318306ndash15 doi101016jrser201210030



2016311ndash13 doi101016jesd201511004





201318306ndash15 doi101016jrser201210030



doi101016jrser201301028










160









doi10111512807210




doi101016jrser200907035






2013 doi101016jpecs201302001





August 8 2015)











103 doi101016jenbuild201212042








2012









doi101080014576322012746152

161






704 doi101016jegypro201403075



doi10111511467922





doi101080014576322012746152








doi10111511824107















doi101016jrser200907035



Atlanta GA 2007


2008










162
























doi101016jrser201302018























2012 p 43ndash63





distribution 2017

163










doi10108010942910701586273














200481401ndash405










doi0931-598520000809-0543



1988141ndash154





2004181535ndash42 doi101021ef030156v



doi101016jfuel201201025







doi101007BF02536181

164





















technologies 2016




19953105ndash126



200328499ndash509 doi101016S1474-7065(03)00069-X








doi1010160148-9062(83)91609-1








2015



China 2014





165






doi101016jrser201512071




















doi101007s12649-016-9549-6



























166





2012165319ndash30 doi101016jrser201205028









2012e623070 doi1011552012623070 1011552012623070















2017)




2017)






June 2 2016)



2017)











167










7952(72)90034-8












20145014002 doi101061(ASCE)MT1943-55330001067



doi101016jcrte200310008



2009100133ndash9 doi101007s10973-009-0198-x

















198770837ndash842







168








1317(98)00005-2



366



200427235ndash9 doi101016jclay200406004



2003









200127517ndash22 doi101016S0272-8842(00)00110-3



doi10111513197844









doi101093bmbldg032









August 23 2015)





199978271ndash6 doi101016S0016-2361(98)00134-3

169



2004151932 doi1010880957-0233159034




















doi10106314949096





66322004000200017












doi101016S1350-4789(05)00546-5






doi101021cr60232a001






doi101016jrser201403055

170






doi10577259803



doi101179000705984798273245






doi101007s00217-003-0744-x



2006108999ndash1006 doi101002ejlt200600153




doi101111j1744-7402201002550x




















doi10106311660785









171
















doi101016S0196-8904(98)00025-9



83 doi101016S1359-4311(02)00192-8





doi103390ijms10010325





201432591ndash610 doi101016jrser201312014



172

Nomenclature


















173

Liste des tableaux























174

Liste des figures






(ADEME 2012) 3






16














drsquoamiante 33






















175






de BIG 76










volumique 92










drsquoiode 98










(bas) 112















176


1200 degC 124


1200 degC 125


chaux de BIG 127


(SL) 128







20SL) 131








134





























177


178

Annexes

179


Solar one

(1982-1988)


Station I (1984)

Solar two

(1996)

PS10

(2007)

Nevada

Solar one

(2007)

Champ

Solaire


Eacutetats Unis

Sevilla

Espagne

Boulder

Eacutetats Unis



-1) 2 725 2 012 2 606

Type CT CP CT CT CP

Reacutecepteur



( degC)

307 545 300 393


satureacutee

Vapeur

satureacutee

Composition Huile


2060 t de sable

60

NaNO3

40KNO3





Rendement 50



Rendement 315



180

Andasol I

(2008)

Juumllich

Solar Tower

(2008)

PS20

(2009)

Holaniku at

keahole point

(2009)

Andasol II

(2009)

Champ

Solaire

Lieu Aldiere

Espagne

Juumllich

Allemagne

Sevilla

Espagne

Keahole point

Etats unis




-1) 2 136 2 012 2 136

Type CP CT CT CP CP

Reacutecepteur



( degC)

393 680 300 176 393


satureacutee




28 000t 1010 MWh


36m


28 500t 1010 MWh


36m




Rendement



Rendement 16 16



181

Archimegravede

(2010)

La Florida

(2010)

La Dehesa

(2011)

Andasol III

(2011)

Gemasolar

thermosolar plant

(2011)

Lake

Cargelligo

(2011)

Champ

Solaire


Italie

Badajoz

Espagne

La Garrovilla

Espagne

Aldeire Fuentes de

Andalucia

Espagne

Lake Cargelligo

Australie



-1) 1 936 2 200 2 172




Bipheacutenyl

Oxyde

Dipheacutenyl

Bipheacutenyl

Oxyde



( degC)

550 393 393 393 565 500



40KNO3

60 NaNO3 40

KNO3


hauteur 65 m

diamegravetre 135 m

2 reacuteservoirs

29 000 t

2 reacuteservoirs

29 000 t

2 reacuteservoirs

indirects

2 reacuteservoirs

directs




Rendement



Rendement 1560 3810 3810

Pression (bar) 100 100 100 50


182

Arcosol 50

(2011)

La Africana

(2012)

Beijing Badaling

Solar Tower

(2012)

Supcon

Solar

Projet

(2013)

Crescent Dunes

Solar Energy

(2013)

Solana

Generating Station

(2013)

Champ

Solaire


Valle

Espagne

Posadas

Espagne


Chine


Eacutetats Unis




-1) 1 950 1 290

Type CP CP CP CT CP

Reacutecepteur


40KNO3

Therminol VP-1



satureacutee


Composition


28 500 t





Rendement 99



Rendement 38



183

Arenales

(2013)

Caceres

(2013)

Casablanca

(2013)

Kaxu solar

One (2014)

Khi Solar One

(2014)

Bokpoort

(2015)

Rice solar

energy projet

(2016)

Champ

Solaire

Lieu Moron de

la Frontera

Espagne

Valdepbispo

Espagne

Talarrubias

Espagne

Poffader

Afrique du Sud

Upington

Afrique du Sud

Globershoop

Afrique du Sud



DNI (kWhm-2

an-1

) 2 598


Reacutecepteur


Bipheacutenyl

Oxyde

Dipheacutenyl

Bipheacutenyl

Oxyde

Therminol VP-

1

Vapeur

satureacutee



(degC)

393 393 393 565


satureacutee


Composition


1300 Wht

2 reacuteservoirs




Rendement 99



Rendement 38 38

Pression (bar) 115


184


emp

eacuteratu

re d

e

fusi

on

(degC

)

Ch

ale

ur

late

nte

(kJk

g-1

)

Con

du

ctiv

iteacute

ther

miq

ue

(soli

de)

(W

m-1

K-

1)

Mass

e volu

miq

ue

(liq

uid

e) (

kgm

-3)

Ch

ale

ur

speacutec

ifiq

ue

(liq

uid

e) (

kJk

g-

1K

-1)

Den

siteacute

eacutener

geacutet

iqu

e

kW

ht

m-3

Coucirc

t d

u m

ateacute

riau

(eurok

g-1

)

Coucirc

t d

u m

ateacute

riau

(eurok

Wht-1

)

Sou

rces

NaNO3 307 174 05 2260 125 02 33 [47] [46] [24]


KNO3-KCl 320 74 05 2100 [24]

LiCl+BaCl2+KCl (542-64-394)mol 320 170 [47]

KNO3 333ndash336 266 05 2110 156 02 37 [47] [46] [24]

Zn+Mg (52-48)m 340 180 [47]

LiCl+KCl (58-42)mol 348 170 [47]

Na2O2 360 314 [258]

KOH 380 1497 05 2044 85 09 217 [45] [259]

MgCl2+KCl+NaCl 380 400 1800 [45][24]

Zn 419 112 100 6760 048 [260]

LiOH+LiF (50-50)m 427 512 [258]

MgCl+NaCl (385-615)m 435 328 2160 [259]

Na2CO3+Li2CO3 (56-44)m 487 368 211 [47]

NaCl+CaCl2 (33-67)m 500 281 102 [47]

NaCO3+BaCO3+MgO 500-850 4154 5 2600 18 154 [45] [46] [24]


KC1O4 527 1253 [258]

LiBr 550 203 [47]

AlSi12 576 560 160 2700 [45] [24]

AlSi20 585 460 [45] [24]

LiF+NaF+CaF2 (351-84-265)m 615 2820 [259]

185

Al 660 398 211-250 2380 118 [260] [47]

LiH 699 2678 [258]

MgCl2 714 452 2140 [45] [47] [24] [259]

LiF+CaF2 (805ndash195)m 767 790 17 2100 184 [24] [45]

NaCl 800-802 466-492 5 2160 01 11 [45] [46] [24] [259]

Na2CO3 854 2757 2 2533 11 23 [45] [46] [24] [259]

186


Reacutea

ctio

n

En

thalp

ie d

e

reacuteact

ion

(kJm

ol G

-1)

En

trop

ie d

e

reacuteact

ion

(Jm

ol G

K-1

)

Tem

peacuter

atu

re

deacute

qu

ilib

re

(p=

1 b

ar)

(degC

)

Den

siteacute

eacutener

geacutet

iqu

e

(kW

hm

-3)

Sou

rce




[263]



















187


Bruleur agrave gaz

Reacuteacteur

188











n

i

iim CnC1




middotdegC-1














middotK-1

5 6 15 35


middotK-1

3 6 11 26 5 7


middotK-1

710 1250 800 1200 620 1150

189



Reacutesumeacute


















Abstract














Documents

Stockage thermique à base d'éco-matériaux locaux pour