éco-procédé thermosolaire hybride de dessalement d’eau de mer sous concentration

hybrid concentrated thermo-solar eco-process for desalination of seawater

• Auteur / Autrice : Dylan Lorfing
• Direction : Ligia Barna, Xavier Py
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 29/11/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : SOPHYE - Séparations, oxydation et procédés hybrides pour l'Environnement
• Jury : Président / Présidente : Jocelyn Bonjour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ligia Barna, Xavier Py, Aras Ahmadi, Lounès Tadrist, Jean-Pierre Bedecarrats
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lounès Tadrist, Jean-Pierre Bedecarrats

Mots clés

Mots clés libres

Analyse de cycle de vie

Dessalement

Energie solaire concentrée

Ebullition en film

Procédée solaire

Evaporateur solaire

Life cycle assessment

Desalination

Concentrated solar energy

Film boiling

Solar process

Solar boiler

Résumé

Pour contenir les effets du dérèglement climatique, il est admis que des transformations sur la quasi-totalité des activités humaines doivent être réalisées. L’intégration des énergies bas-carbone dans différents procédés en est une. L’approvisionnement en eau potable doit lui aussi relever de nombreux défis. Fournir de l’eau dans des zones où les ressources naturelles sont déjà sous pression en est un. Cette thèse propose l’étude d’un éco-procédé de dessalement d’eau de mer sous énergie solaire concentrée. Les centrales solaires thermodynamiques étant matures, l’ouverture de leur cycle eau/vapeur offre l’opportunité d’une cogénération électricité/eau-douce. Les hautes températures et densités de flux obtenues sous concentration permettent d’opérer des systèmes de dessalement combinés mettant en jeu des sous procédés en cascade. Le développement de ce nouveau procédé a pour but de sécuriser l’approvisionnement tout-en intégrant les problématiques environnementales posées par les technologies de dessalement. Le procédé proposé repose sur un évaporateur exploitant l’énergie solaire concentrée et conçue pour fonctionner directement avec de l’eau de mer. - Un modèle de ce nouvel évaporateur est proposé. Il considère l’ensemble des phénomènes physiques autour de l’évaporateur qu’ils soient optiques, thermiques, ou thermodynamiques. L’évaporateur fonctionnant avec de l’eau de mer, le régime d’ébullition en film de vapeur généralement évité a été considéré. En effet, le film de vapeur pourrait avoir un effet protecteur contre les dépôts de sel et la corrosion due à l’eau de mer. - Un banc expérimental a été conçu pour prouver la faisabilité pratique de l’évaporateur. Ce montage est conçu pour opérer dans le four solaire de moyenne puissance du laboratoire d’Odeillo. La puissance solaire alimente l’évaporateur pouvant opérer en ébullition nucléé, mais aussi en ébullition en film. - Enfin, une analyse de cycle de vie a été menée sur la production d’eau potable grâce au nouveau procédé de dessalement développé en combinant l’évaporateur solaire et un système de dessalement thermique. Cette analyse prend en compte l’ensemble des sources d’impact du procédé. Au cours de ce travail, l’intérêt du procédé de dessalement proposé a été montré. - Les résultats fournis par le pilote ont permis de faire la preuve de concept de l’évaporateur. Les essais ont permis l’obtention d’éléments qui tendent à montrer l’effet protecteur du film de vapeur. Les données récoltées ont permis la validation du modèle théorique. - Des erreurs moyennes, inférieures à 4 % pour la température et autour de 2 % pour l’estimation des débits, ont été observées pour les prévisions du modèle. Malgré la haute température imposée par le fonctionnement en film de vapeur, une efficacité supérieure à 80 % peut être espérée pour ce type d’évaporateur. - Enfin, des résultats encourageant sur le plan environnemental mettent en avant le potentiel du procédé. L’estimation de l’impact « Endpoint » fait par la méthode ReCiPe pour le procédé abouti à un impact 6,4 fois plus faible qu’avec l’utilisation d’une unité de dessalement thermique conventionnel. Le procédée proposé atteint même des performances environnementales supérieures aux techniques d’osmose inverse. L’utilisation de l’énergie solaire dans la production d’eau potable pourrait devenir la norme et les résultats obtenus montrent l'intérêt de l’énergie solaire dans ce contexte. Au-delà des résultats fournis par cette thèse, ce travail permet d’ouvrir une réflexion sur une nouvelle voie de production d’eau potable par dessalement grâce à l’énergie solaire concentrée. Parmi les perspectives ouvertes dans cette thèse, on peut citer l’amélioration du modèle théorique, l’optimisation de la géométrie de l’évaporateur, mais aussi la consolidation des résultats expérimentaux. Du point de vue des impacts, de nombreuses solutions et optimisations peuvent être proposés pour améliorer les performances du procédé.

To contain the climate change effect, it is now admitted that several transformations have to be done on nearly all humans’ activity fields. Integrate low-carbon energies in the different processes is one of these adaptations. In addition, freshwater furnishing has also to face some issues, like bring water in areas where the natural resources are already under pressure. This thesis proposes the study of a seawater desalination eco-process using concentrated solar energy. Concentrated solar power plants are mature technologies, and the opening of the steam/water cycle brings new opportunities for the cogeneration of electricity and freshwater. High temperature and power density permit by concentrated solar energy allow operating desalination system with a succession of effects. The development of this new process aims to secure the freshwater supply taking into account environmentalist issues at an early stage of the development. The proposed process is based on a boiler using concentrated solar energy and design to operate with seawater. - A model of this new boiler is proposed. It takes into account all physical phenomena around the boiler like optical, thermal, and thermodynamic ones. The boiler operates with seawater and film boiling regime was considered. Indeed, if film boiling is usually avoided the protective effect that could have the vapor on the hot surface could avoid corrosion and scaling. - An experimental set-up was designed to bring to prove the boiler feasibility. The experiments were made at the medium power solar furnace of Odeillo laboratory. The solar power feeding the boiler allows working in nucleate or film boiling. - Finally, a life cycle assessment was carried on the fresh water production by a new process coupling the solar boiler with a thermal desalination process. This assessment takes into account the whole impacts sources of the process. During this work, the interest in the new desalination process was shown. - Results obtain thanks to the experimental set-up permit to make the conceptual proof of the boiler. Experimentation allows giving some elements to prove the protective effect of the vapor film. Data gift by the boiler also permits the validation of the theoretical model. - Mean errors, inferior to 4 % for the temperature and around 2 % for mass flow prevision are observed between experimental results and theoretical previsions. Despite the high temperature involve by the operation in film boiling, an efficiency superior to 80 % can be achieved for the solar boiler. - Finally, good environmental results highlight the potential of this new process. Endpoint impact estimated thanks to ReCiPe methods is 6.4 times less important than that of conventional thermal desalination processes. The proposed process even shows performances superior to that of reverse osmosis. Solar energy use in desalination could spread widely in the coming years. The present results show the potential of this energy in the water production context. Beyond results obtain during this thesis, this work opens the reflection on a new way to produce fresh water thanks to concentrated solar energy. Upgrade of the theoretical model, optimization of the solar boiler, and consolidation of experimental data are some fields that should be explored in the future. From the environmental point of view, many solutions have to be studied and should bring improvements in the whole process.