DS0303 -

Revêtements Avancés Multicouches Multifonctionnels pour les Centrales Solaires à Concentration – 2MAC-CSP

Résumé de soumission

Le marché en expansion des centrales solaires à concentration requiert l'emploi de matériaux haute température pour deux éléments critiques.
Le premier est le récepteur solaire qui doit convertir le flux solaire concentré incident en chaleur transférée à un fluide caloporteur. Le principal verrou est de développer une surface qui absorberait le plus large spectre possible de ce flux solaire concentrée et présenterait les pertes radiatives les plus faibles possible. Comme cette surface est directement exposée à l'air, elle peut s'oxyder, ce qui affecterait ses propriétés optiques. Un revêtement anticorrosion et à sélectivité spectrale pourrait optimiser les performances de cette surface.
Le second élément est l'échangeur de chaleur qui permet de transférer la chaleur d'un premier caloporteur liquide ou fluidifié (sels fondus, particules céramiques...) vers un gaz (idéalement de l'air). Cet échangeur pourrait supporter de la corrosion à haute température, et un revêtement avancé pourrait améliorer sa résistance envers cela. La philosophie de recherche adoptée dans ce programme est la conception et le développement d'un système optimal de revêtement qui optimiserait les propriétés de la surface (sélectivité spectrale, résistance à l'oxydation et à l'abrasion) d'un alliage métallique haute température choisi pour sa bonne conductivité thermique.
Utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur à haute température développée au laboratoire SIMaP avec le soutien de l'entreprise SIL'TRONIX ST, nous espérons pouvoir concevoir des matériaux multicouches, avec un revêtement céramique sur un alliage métallique, qui pourrait supporter une température de travail au-delà de 1000°C, ce qui accroîtrait le rendement d'une centrale solaire de 15%. Le premier objectif serait une sélection de candidats qui réaliseraient (a) les exigences de stabilité dans les conditions opératoires et (b) la possibilité d'être déposés par HT-CVD au-dessus de 1000 °C.
Le deuxième objectif serait de déterminer ce qui se passe réellement lors des phénomènes de vieillissement induits par la température pour les absorbeurs solaires et échangeurs de chaleur.
La première originalité du programme de recherche est de développer un système multicouche et multifonctionnel par (a) l'ajout d'un revêtement (AlN) sur un alliage métallique haute température connu (TZM), déposé à des températures de l'ordre des conditions opératoires des éléments solaires, (b) la gestion de la compatibilité mécanique et chimique du revêtement par la conception de minces barrières.
La seconde originalité du projet repose sur l'utilisation de ces outils uniques et spécifiques pour évaluer les performances de l'empilement proposé.
Nous espérons d'ici 48 mois passer d'un TRL 2 (la production d'un revêtement céramique est possible, mais aucune analyse de la performance du matériau dans un environnement critique n'a jamais été réalisée) à un TRL 4 (validation du potentiel de ce matériau à l'échelle laboratoire dans un environnement de travail significatif).
Les premières difficultés à surmonter concernent le revêtement et seront (a) sa production à haute température et (b) le contrôle de sa microstructure optimale pour protéger le matériau de l'oxydation, sans provoquer une isolation thermique. La topographie de la surface sera aussi importante car elle affectera son émissivité. Nous prévoyons d'étudier en premier lieu le revêtement AlN qui est actuellement le plus avancé par HT-CVD, mais d'autres compositions comme SiC (bonne sélectivité spectrale avec une absorptivité élevée du spectre solaire) ou WC pourraient être étudiées.
La deuxième difficulté sera de reproduire, sur des expériences de laboratoire à courte durée, des conditions d'oxydation en milieu extrême pour prédire la vieillissement sur le long terme (plusieurs mois) des multi-matériaux réalisés. Le réacteur REHPTS peut permettre de mener une telle analyse dans des conditions reproductibles.

Coordinateur du projet

Monsieur Ludovic Charpentier (Procédés, Matériaux et Energie Solaire)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

PROMES-CNRS Procédés, Matériaux et Energie Solaire
SIMaP Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés
SILTRONIX ST SIL'TRONIX SILICON TECHNOLOGIES

Aide de l'ANR 461 873 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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