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
Directeur de Thegravese
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
Speacutecialiteacute Energeacutetique et Geacutenie des Proceacutedeacutes
Preacutesenteacutee et soutenue publiquement
Par
KENDA NITEDEM Eric Serge
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
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 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
2221 Meacutethode 62
0 vii
2222 Mateacuteriel et eacutechantillonnage 62
223 Analyse thermogravimeacutetrique et diffeacuterentielle colorimeacutetrique agrave balayage 63
2231 Meacutethode 63
2232 Mateacuteriel et eacutechantillonnage 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
321 La lateacuterite du Burkina Faso 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
3222 Comportement thermique 72
323 La chaux de BIG au Niger 73
3231 Analyse morphologique et semi quantitative et structurale 73
3232 Comportement thermique 74
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
1221 Viscositeacute 85
1222 Point eacuteclair 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
231 Eacutevolution des proprieacuteteacutes physiques 96
232 Eacutevolution des proprieacuteteacutes chimiques 97
233 Eacutevolution de la teneur en meacutetaux 98
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
2121 Protocole expeacuterimental 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
2211 Protocole expeacuterimental 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
323 Caracteacuterisation structurale des lateacuterites traiteacutees 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
331 Approche et protocole expeacuterimental 133
332 Caracteacuterisation structurale par des eacutechantillons traiteacutes 134
333 Analyse morphologique des mateacuteriaux eacutelaboreacutes 135
334 Comportement thermique des eacutechantillons traiteacutes 136
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
couche et des cendres de foyer 138
344 Comportement thermique de la ceacuteramique eacutelaboreacutee agrave partir de meacutelanges de lateacuterite de la premiegravere
couche et des cendres de foyer 139
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
les cycles combineacutes
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
Besoin drsquoeau pour
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
eacutenergeacutetique
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
Lateacuterite 392 269 197 073
Argile 565 244 53 022
Roche megravere
basique (SiO2le50)
mafique et
ultramafique
Lateacuterite 237 246 283 115
Basalte 48 13 15 109
Lateacuterite 3 55 670 122
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
lrsquoEquation (II-5)
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
lrsquoEquation (II-9)
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
2222 Mateacuteriel et eacutechantillonnage
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
2232 Mateacuteriel et eacutechantillonnage
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
Viscositeacute cineacutematique agrave 100 degC mmsup2middots-1
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
321 La lateacuterite du Burkina Faso
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
3222 Comportement thermique
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
3232 Comportement thermique
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
paramegravetres cleacutes afin drsquoeacutetudier le comportement thermique de lrsquoHVJC pendant des dureacutees plus
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
1222 Point eacuteclair
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
Lrsquoaciditeacute est deacutefinie comme eacutetant la quantiteacute dhydroxyde de potassium en mg neacutecessaire
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
Lindice de peroxyde est une mesure des peroxydes formeacutes au cours du processus
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
La teneur en eau dans lhuile veacutegeacutetale provient de leau libre dans les matiegraveres premiegraveres
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
Acier galvaniseacuteAcier inoxydable 316L
(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
Acier galvaniseacute
Acier inoxydable 316L
(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
Acier galvaniseacute
Acier inoxydable 316L
(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 galvaniseacute
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
231 Eacutevolution des proprieacuteteacutes physiques
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
232 Eacutevolution des proprieacuteteacutes chimiques
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
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
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
233 Eacutevolution de la teneur en meacutetaux
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
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r en
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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
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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
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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
Viscositeacute cineacutematique 100 degC (mmsup2middots-1
) 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)
Structure heacuteteacuterogegravene
Large dendrites (50-150 microm)
Structure heacuteteacuterogegravene
Large dendrites (180-250 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
LADA1_1200 LADA2_1200 LADA3_1200 LADA4_1200
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
LADA1_1200 LADA2_1200 LADA3_1200 LADA4_1200
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
2121 Protocole expeacuterimental
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
lrsquoeacutechantillon
(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
LADA2 15 kV 2 k x10 μm
LADA2_FS 15 kV 2 k x10 μm
10 μmLADA2__FS_R 15 kV 2 k x10 μmLADA3_FS_R 15 kV 2 k x
10 μmLADA4_FS_R 15 kV 2 k x
LADA3_FS 15 kV 2 k x10 μm
LADA4_FS 15 kV 2 k x10 μm
LADA3 15 kV 2 k x10 μm
LADA4 15 kV 2 k x10 μm
Spinelle
Magneacutetite
Structure reacutepeacutetitive
Amorphe
Structure reacutepeacutetitive
Magneacutetite
Structure reacutepeacutetitive
Structure reacutepeacutetitive
(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
2211 Protocole expeacuterimental
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
323 Caracteacuterisation structurale des lateacuterites traiteacutees
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
Figure IV-21 Diffractogramme des mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de meacutelange de lateacuterite de la
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
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)
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
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)
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
331 Approche et protocole expeacuterimental
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
Surface des ceacuteramiques attendues
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
334 Comportement thermique des eacutechantillons traiteacutes
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
Surface des ceacuteramiques envisageacutees
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
lateacuterite de la premiegravere couche et des cendres de foyer
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
lateacuterite de la premiegravere couche et des cendres de foyer
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)
Mullite (Al565Si035O9175)
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 (
)
Tempeacuterature ( C)
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
Mullite Anorthite Anorthite
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
jusqursquoagrave la tempeacuterature ambiante
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)
Anorthite (CaAl2Si2O8)
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
jusqursquoagrave la tempeacuterature ambiante
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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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
seacutedimentaires [124] 30
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
(LADA3) avec diffeacuterentes proportions de chaux (10 15 et 20) 130
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
Champ des capteurs (msup2) 510 120 17 650 150 000 510 120
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
Tempeacuterature de sortie du reacutecepteur
( 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
Hauteur 14m Diamegravetre
36m
Temps de stockage (h) 75 15 1 2 75
Tempeacuterature haute (degC) 393 392
Tempeacuterature basse (degC) 293 293
Rendement
Cycle Type du cycle Rankine Rankine Rankine Rankine Rankine
Puissance eacutelectrique (MW) 499 15 20 2 499
Rendement 16 16
Pression (bar) 100 45 100
CT Centrales agrave Tour CP concentrateurs paraboliques
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
DNI (kWhmiddotm-2middotan
-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
Tempeacuterature de sortie du reacutecepteur
( 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
CT Centrales agrave Tour CP concentrateurs paraboliques
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
DNI (kWhmiddotm-2middotan
-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
Temps de stockage (h) 75 1 25 10 6
Tempeacuterature haute ( degC) 393 393 400 565
Tempeacuterature basse ( degC) 293 293 104 290
Rendement 99
Cycle Type du cycle Rankine Rankine Rankine Rankine Rankine
Puissance eacutelectrique (MW) 499 50 15 50 110 280
Rendement 38
Pression (bar) 100 115 100
CT Centrales agrave Tour CP concentrateurs paraboliques
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
Tempeacuterature de sortie du reacutecepteur
(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
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
Directeur de Thegravese
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
Speacutecialiteacute Energeacutetique et Geacutenie des Proceacutedeacutes
Preacutesenteacutee et soutenue publiquement
Par
KENDA NITEDEM Eric Serge
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
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 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
2221 Meacutethode 62
0 vii
2222 Mateacuteriel et eacutechantillonnage 62
223 Analyse thermogravimeacutetrique et diffeacuterentielle colorimeacutetrique agrave balayage 63
2231 Meacutethode 63
2232 Mateacuteriel et eacutechantillonnage 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
321 La lateacuterite du Burkina Faso 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
3222 Comportement thermique 72
323 La chaux de BIG au Niger 73
3231 Analyse morphologique et semi quantitative et structurale 73
3232 Comportement thermique 74
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
1221 Viscositeacute 85
1222 Point eacuteclair 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
231 Eacutevolution des proprieacuteteacutes physiques 96
232 Eacutevolution des proprieacuteteacutes chimiques 97
233 Eacutevolution de la teneur en meacutetaux 98
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
2121 Protocole expeacuterimental 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
2211 Protocole expeacuterimental 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
323 Caracteacuterisation structurale des lateacuterites traiteacutees 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
331 Approche et protocole expeacuterimental 133
332 Caracteacuterisation structurale par des eacutechantillons traiteacutes 134
333 Analyse morphologique des mateacuteriaux eacutelaboreacutes 135
334 Comportement thermique des eacutechantillons traiteacutes 136
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
couche et des cendres de foyer 138
344 Comportement thermique de la ceacuteramique eacutelaboreacutee agrave partir de meacutelanges de lateacuterite de la premiegravere
couche et des cendres de foyer 139
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
les cycles combineacutes
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
Besoin drsquoeau pour
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
eacutenergeacutetique
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
Lateacuterite 392 269 197 073
Argile 565 244 53 022
Roche megravere
basique (SiO2le50)
mafique et
ultramafique
Lateacuterite 237 246 283 115
Basalte 48 13 15 109
Lateacuterite 3 55 670 122
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
lrsquoEquation (II-5)
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
lrsquoEquation (II-9)
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
2222 Mateacuteriel et eacutechantillonnage
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
2232 Mateacuteriel et eacutechantillonnage
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
Viscositeacute cineacutematique agrave 100 degC mmsup2middots-1
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
321 La lateacuterite du Burkina Faso
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
3222 Comportement thermique
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
3232 Comportement thermique
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
paramegravetres cleacutes afin drsquoeacutetudier le comportement thermique de lrsquoHVJC pendant des dureacutees plus
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
1222 Point eacuteclair
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
Lrsquoaciditeacute est deacutefinie comme eacutetant la quantiteacute dhydroxyde de potassium en mg neacutecessaire
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
Lindice de peroxyde est une mesure des peroxydes formeacutes au cours du processus
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
La teneur en eau dans lhuile veacutegeacutetale provient de leau libre dans les matiegraveres premiegraveres
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
Acier galvaniseacuteAcier inoxydable 316L
(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
Acier galvaniseacute
Acier inoxydable 316L
(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
Acier galvaniseacute
Acier inoxydable 316L
(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 galvaniseacute
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
231 Eacutevolution des proprieacuteteacutes physiques
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
232 Eacutevolution des proprieacuteteacutes chimiques
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
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
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
233 Eacutevolution de la teneur en meacutetaux
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
Viscositeacute cineacutematique 100 degC (mmsup2middots-1
) 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)
Structure heacuteteacuterogegravene
Large dendrites (50-150 microm)
Structure heacuteteacuterogegravene
Large dendrites (180-250 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
LADA1_1200 LADA2_1200 LADA3_1200 LADA4_1200
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
LADA1_1200 LADA2_1200 LADA3_1200 LADA4_1200
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
2121 Protocole expeacuterimental
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
lrsquoeacutechantillon
(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
LADA2 15 kV 2 k x10 μm
LADA2_FS 15 kV 2 k x10 μm
10 μmLADA2__FS_R 15 kV 2 k x10 μmLADA3_FS_R 15 kV 2 k x
10 μmLADA4_FS_R 15 kV 2 k x
LADA3_FS 15 kV 2 k x10 μm
LADA4_FS 15 kV 2 k x10 μm
LADA3 15 kV 2 k x10 μm
LADA4 15 kV 2 k x10 μm
Spinelle
Magneacutetite
Structure reacutepeacutetitive
Amorphe
Structure reacutepeacutetitive
Magneacutetite
Structure reacutepeacutetitive
Structure reacutepeacutetitive
(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
2211 Protocole expeacuterimental
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
323 Caracteacuterisation structurale des lateacuterites traiteacutees
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
Figure IV-21 Diffractogramme des mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de meacutelange de lateacuterite de la
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
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)
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
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)
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
331 Approche et protocole expeacuterimental
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
Surface des ceacuteramiques attendues
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
334 Comportement thermique des eacutechantillons traiteacutes
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
Surface des ceacuteramiques envisageacutees
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
lateacuterite de la premiegravere couche et des cendres de foyer
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
lateacuterite de la premiegravere couche et des cendres de foyer
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)
Mullite (Al565Si035O9175)
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 (
)
Tempeacuterature ( C)
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
Mullite Anorthite Anorthite
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
jusqursquoagrave la tempeacuterature ambiante
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)
Anorthite (CaAl2Si2O8)
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
jusqursquoagrave la tempeacuterature ambiante
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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Nomenclature
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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
seacutedimentaires [124] 30
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
(LADA3) avec diffeacuterentes proportions de chaux (10 15 et 20) 130
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
Champ des capteurs (msup2) 510 120 17 650 150 000 510 120
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
Tempeacuterature de sortie du reacutecepteur
( 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
Hauteur 14m Diamegravetre
36m
Temps de stockage (h) 75 15 1 2 75
Tempeacuterature haute (degC) 393 392
Tempeacuterature basse (degC) 293 293
Rendement
Cycle Type du cycle Rankine Rankine Rankine Rankine Rankine
Puissance eacutelectrique (MW) 499 15 20 2 499
Rendement 16 16
Pression (bar) 100 45 100
CT Centrales agrave Tour CP concentrateurs paraboliques
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
DNI (kWhmiddotm-2middotan
-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
Tempeacuterature de sortie du reacutecepteur
( 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
CT Centrales agrave Tour CP concentrateurs paraboliques
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
DNI (kWhmiddotm-2middotan
-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
Temps de stockage (h) 75 1 25 10 6
Tempeacuterature haute ( degC) 393 393 400 565
Tempeacuterature basse ( degC) 293 293 104 290
Rendement 99
Cycle Type du cycle Rankine Rankine Rankine Rankine Rankine
Puissance eacutelectrique (MW) 499 50 15 50 110 280
Rendement 38
Pression (bar) 100 115 100
CT Centrales agrave Tour CP concentrateurs paraboliques
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
Tempeacuterature de sortie du reacutecepteur
(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
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
Speacutecialiteacute Energeacutetique et Geacutenie des Proceacutedeacutes
Preacutesenteacutee et soutenue publiquement
Par
KENDA NITEDEM Eric Serge
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
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 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
2221 Meacutethode 62
0 vii
2222 Mateacuteriel et eacutechantillonnage 62
223 Analyse thermogravimeacutetrique et diffeacuterentielle colorimeacutetrique agrave balayage 63
2231 Meacutethode 63
2232 Mateacuteriel et eacutechantillonnage 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
321 La lateacuterite du Burkina Faso 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
3222 Comportement thermique 72
323 La chaux de BIG au Niger 73
3231 Analyse morphologique et semi quantitative et structurale 73
3232 Comportement thermique 74
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
1221 Viscositeacute 85
1222 Point eacuteclair 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
231 Eacutevolution des proprieacuteteacutes physiques 96
232 Eacutevolution des proprieacuteteacutes chimiques 97
233 Eacutevolution de la teneur en meacutetaux 98
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
2121 Protocole expeacuterimental 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
2211 Protocole expeacuterimental 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
323 Caracteacuterisation structurale des lateacuterites traiteacutees 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
331 Approche et protocole expeacuterimental 133
332 Caracteacuterisation structurale par des eacutechantillons traiteacutes 134
333 Analyse morphologique des mateacuteriaux eacutelaboreacutes 135
334 Comportement thermique des eacutechantillons traiteacutes 136
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
couche et des cendres de foyer 138
344 Comportement thermique de la ceacuteramique eacutelaboreacutee agrave partir de meacutelanges de lateacuterite de la premiegravere
couche et des cendres de foyer 139
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
les cycles combineacutes
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
Besoin drsquoeau pour
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
eacutenergeacutetique
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
Lateacuterite 392 269 197 073
Argile 565 244 53 022
Roche megravere
basique (SiO2le50)
mafique et
ultramafique
Lateacuterite 237 246 283 115
Basalte 48 13 15 109
Lateacuterite 3 55 670 122
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
lrsquoEquation (II-5)
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
lrsquoEquation (II-9)
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
2222 Mateacuteriel et eacutechantillonnage
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
2232 Mateacuteriel et eacutechantillonnage
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
Viscositeacute cineacutematique agrave 100 degC mmsup2middots-1
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
321 La lateacuterite du Burkina Faso
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
3222 Comportement thermique
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
3232 Comportement thermique
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
paramegravetres cleacutes afin drsquoeacutetudier le comportement thermique de lrsquoHVJC pendant des dureacutees plus
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
1222 Point eacuteclair
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
Lrsquoaciditeacute est deacutefinie comme eacutetant la quantiteacute dhydroxyde de potassium en mg neacutecessaire
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
Lindice de peroxyde est une mesure des peroxydes formeacutes au cours du processus
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
La teneur en eau dans lhuile veacutegeacutetale provient de leau libre dans les matiegraveres premiegraveres
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
Acier galvaniseacuteAcier inoxydable 316L
(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
Acier galvaniseacute
Acier inoxydable 316L
(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
Acier galvaniseacute
Acier inoxydable 316L
(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 galvaniseacute
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
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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
231 Eacutevolution des proprieacuteteacutes physiques
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
232 Eacutevolution des proprieacuteteacutes chimiques
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
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
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
233 Eacutevolution de la teneur en meacutetaux
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
Viscositeacute cineacutematique 100 degC (mmsup2middots-1
) 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)
Structure heacuteteacuterogegravene
Large dendrites (50-150 microm)
Structure heacuteteacuterogegravene
Large dendrites (180-250 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
LADA1_1200 LADA2_1200 LADA3_1200 LADA4_1200
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
LADA1_1200 LADA2_1200 LADA3_1200 LADA4_1200
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
2121 Protocole expeacuterimental
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
lrsquoeacutechantillon
(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
LADA2 15 kV 2 k x10 μm
LADA2_FS 15 kV 2 k x10 μm
10 μmLADA2__FS_R 15 kV 2 k x10 μmLADA3_FS_R 15 kV 2 k x
10 μmLADA4_FS_R 15 kV 2 k x
LADA3_FS 15 kV 2 k x10 μm
LADA4_FS 15 kV 2 k x10 μm
LADA3 15 kV 2 k x10 μm
LADA4 15 kV 2 k x10 μm
Spinelle
Magneacutetite
Structure reacutepeacutetitive
Amorphe
Structure reacutepeacutetitive
Magneacutetite
Structure reacutepeacutetitive
Structure reacutepeacutetitive
(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
2211 Protocole expeacuterimental
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
323 Caracteacuterisation structurale des lateacuterites traiteacutees
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
Figure IV-21 Diffractogramme des mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de meacutelange de lateacuterite de la
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
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)
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
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)
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
331 Approche et protocole expeacuterimental
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
Surface des ceacuteramiques attendues
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
334 Comportement thermique des eacutechantillons traiteacutes
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
Surface des ceacuteramiques envisageacutees
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
lateacuterite de la premiegravere couche et des cendres de foyer
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
lateacuterite de la premiegravere couche et des cendres de foyer
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)
Mullite (Al565Si035O9175)
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 (
)
Tempeacuterature ( C)
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
Mullite Anorthite Anorthite
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
jusqursquoagrave la tempeacuterature ambiante
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)
Anorthite (CaAl2Si2O8)
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
jusqursquoagrave la tempeacuterature ambiante
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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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
seacutedimentaires [124] 30
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
(LADA3) avec diffeacuterentes proportions de chaux (10 15 et 20) 130
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
Champ des capteurs (msup2) 510 120 17 650 150 000 510 120
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
Tempeacuterature de sortie du reacutecepteur
( 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
Hauteur 14m Diamegravetre
36m
Temps de stockage (h) 75 15 1 2 75
Tempeacuterature haute (degC) 393 392
Tempeacuterature basse (degC) 293 293
Rendement
Cycle Type du cycle Rankine Rankine Rankine Rankine Rankine
Puissance eacutelectrique (MW) 499 15 20 2 499
Rendement 16 16
Pression (bar) 100 45 100
CT Centrales agrave Tour CP concentrateurs paraboliques
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
DNI (kWhmiddotm-2middotan
-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
Tempeacuterature de sortie du reacutecepteur
( 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
CT Centrales agrave Tour CP concentrateurs paraboliques
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
DNI (kWhmiddotm-2middotan
-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
Temps de stockage (h) 75 1 25 10 6
Tempeacuterature haute ( degC) 393 393 400 565
Tempeacuterature basse ( degC) 293 293 104 290
Rendement 99
Cycle Type du cycle Rankine Rankine Rankine Rankine Rankine
Puissance eacutelectrique (MW) 499 50 15 50 110 280
Rendement 38
Pression (bar) 100 115 100
CT Centrales agrave Tour CP concentrateurs paraboliques
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
Tempeacuterature de sortie du reacutecepteur
(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
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
2221 Meacutethode 62
0 vii
2222 Mateacuteriel et eacutechantillonnage 62
223 Analyse thermogravimeacutetrique et diffeacuterentielle colorimeacutetrique agrave balayage 63
2231 Meacutethode 63
2232 Mateacuteriel et eacutechantillonnage 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
321 La lateacuterite du Burkina Faso 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
3222 Comportement thermique 72
323 La chaux de BIG au Niger 73
3231 Analyse morphologique et semi quantitative et structurale 73
3232 Comportement thermique 74
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
1221 Viscositeacute 85
1222 Point eacuteclair 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
231 Eacutevolution des proprieacuteteacutes physiques 96
232 Eacutevolution des proprieacuteteacutes chimiques 97
233 Eacutevolution de la teneur en meacutetaux 98
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
2121 Protocole expeacuterimental 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
2211 Protocole expeacuterimental 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
323 Caracteacuterisation structurale des lateacuterites traiteacutees 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
331 Approche et protocole expeacuterimental 133
332 Caracteacuterisation structurale par des eacutechantillons traiteacutes 134
333 Analyse morphologique des mateacuteriaux eacutelaboreacutes 135
334 Comportement thermique des eacutechantillons traiteacutes 136
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
couche et des cendres de foyer 138
344 Comportement thermique de la ceacuteramique eacutelaboreacutee agrave partir de meacutelanges de lateacuterite de la premiegravere
couche et des cendres de foyer 139
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
les cycles combineacutes
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
Besoin drsquoeau pour
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
eacutenergeacutetique
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
Lateacuterite 392 269 197 073
Argile 565 244 53 022
Roche megravere
basique (SiO2le50)
mafique et
ultramafique
Lateacuterite 237 246 283 115
Basalte 48 13 15 109
Lateacuterite 3 55 670 122
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
lrsquoEquation (II-5)
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
lrsquoEquation (II-9)
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
2222 Mateacuteriel et eacutechantillonnage
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
2232 Mateacuteriel et eacutechantillonnage
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
Viscositeacute cineacutematique agrave 100 degC mmsup2middots-1
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
321 La lateacuterite du Burkina Faso
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
3222 Comportement thermique
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
3232 Comportement thermique
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
paramegravetres cleacutes afin drsquoeacutetudier le comportement thermique de lrsquoHVJC pendant des dureacutees plus
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
1222 Point eacuteclair
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
Lrsquoaciditeacute est deacutefinie comme eacutetant la quantiteacute dhydroxyde de potassium en mg neacutecessaire
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
Lindice de peroxyde est une mesure des peroxydes formeacutes au cours du processus
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
La teneur en eau dans lhuile veacutegeacutetale provient de leau libre dans les matiegraveres premiegraveres
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
Acier galvaniseacuteAcier inoxydable 316L
(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
Acier galvaniseacute
Acier inoxydable 316L
(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
Acier galvaniseacute
Acier inoxydable 316L
(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 galvaniseacute
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
231 Eacutevolution des proprieacuteteacutes physiques
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
232 Eacutevolution des proprieacuteteacutes chimiques
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
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
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
233 Eacutevolution de la teneur en meacutetaux
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
Viscositeacute cineacutematique 100 degC (mmsup2middots-1
) 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)
Structure heacuteteacuterogegravene
Large dendrites (50-150 microm)
Structure heacuteteacuterogegravene
Large dendrites (180-250 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
LADA1_1200 LADA2_1200 LADA3_1200 LADA4_1200
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
LADA1_1200 LADA2_1200 LADA3_1200 LADA4_1200
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
2121 Protocole expeacuterimental
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
lrsquoeacutechantillon
(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
LADA2 15 kV 2 k x10 μm
LADA2_FS 15 kV 2 k x10 μm
10 μmLADA2__FS_R 15 kV 2 k x10 μmLADA3_FS_R 15 kV 2 k x
10 μmLADA4_FS_R 15 kV 2 k x
LADA3_FS 15 kV 2 k x10 μm
LADA4_FS 15 kV 2 k x10 μm
LADA3 15 kV 2 k x10 μm
LADA4 15 kV 2 k x10 μm
Spinelle
Magneacutetite
Structure reacutepeacutetitive
Amorphe
Structure reacutepeacutetitive
Magneacutetite
Structure reacutepeacutetitive
Structure reacutepeacutetitive
(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
2211 Protocole expeacuterimental
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
323 Caracteacuterisation structurale des lateacuterites traiteacutees
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
Figure IV-21 Diffractogramme des mateacuteriaux eacutelaboreacutes agrave partir de meacutelange de lateacuterite de la
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
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)
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
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)
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
331 Approche et protocole expeacuterimental
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
Surface des ceacuteramiques attendues
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
334 Comportement thermique des eacutechantillons traiteacutes
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
Surface des ceacuteramiques envisageacutees
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
lateacuterite de la premiegravere couche et des cendres de foyer
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
lateacuterite de la premiegravere couche et des cendres de foyer
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)
Mullite (Al565Si035O9175)
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 (
)
Tempeacuterature ( C)
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
Mullite Anorthite Anorthite
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
jusqursquoagrave la tempeacuterature ambiante
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)
Anorthite (CaAl2Si2O8)
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
jusqursquoagrave la tempeacuterature ambiante
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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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
seacutedimentaires [124] 30
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
(LADA3) avec diffeacuterentes proportions de chaux (10 15 et 20) 130
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
Champ des capteurs (msup2) 510 120 17 650 150 000 510 120
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
Tempeacuterature de sortie du reacutecepteur
( 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
Hauteur 14m Diamegravetre
36m
Temps de stockage (h) 75 15 1 2 75
Tempeacuterature haute (degC) 393 392
Tempeacuterature basse (degC) 293 293
Rendement
Cycle Type du cycle Rankine Rankine Rankine Rankine Rankine
Puissance eacutelectrique (MW) 499 15 20 2 499
Rendement 16 16
Pression (bar) 100 45 100
CT Centrales agrave Tour CP concentrateurs paraboliques
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
DNI (kWhmiddotm-2middotan
-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
Tempeacuterature de sortie du reacutecepteur
( 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
CT Centrales agrave Tour CP concentrateurs paraboliques
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
DNI (kWhmiddotm-2middotan
-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
Temps de stockage (h) 75 1 25 10 6
Tempeacuterature haute ( degC) 393 393 400 565
Tempeacuterature basse ( degC) 293 293 104 290
Rendement 99
Cycle Type du cycle Rankine Rankine Rankine Rankine Rankine
Puissance eacutelectrique (MW) 499 50 15 50 110 280
Rendement 38
Pression (bar) 100 115 100
CT Centrales agrave Tour CP concentrateurs paraboliques
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
Tempeacuterature de sortie du reacutecepteur
(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
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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)
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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