Développement d’un outil de comparaison multi-critères des systèmes de stockage électrochimiques stationnaires
L’utilisation de systèmes de stockage stationnaire apparaît aujourd’hui incontournable pour accompagner l’évolution du réseau électrique et l’intégration croissante d’énergies renouvelables intermittentes comme le solaire ou l’éolien. Le choix d’une solution de stockage fait appel à de nombreux critères tels que les performances, la durée de vie mais aussi l’impact environnemental, la sécurité, les contraintes règlementaires, sans oublier l’aspect économique.
Le laboratoire dispose d’éléments de comparaison sur ces différents critères, via des études expérimentales et un retour d’expérience sur des systèmes existants. En outre, un premier outil logiciel a été développé pour l’évaluation de l’impact environnemental par ACV (analyse du cycle de vie). L’objectif de ce travail de thèse est d’intégrer ces différentes composantes dans un outil de comparaison plus large avec une approche multi-critères, en ciblant des cas d’étude précis et un nombre limité de technologies de stockage ayant atteint une maturité suffisante pour que les données disponibles soient fiables.
Développement d'un modèle prédictif de puissance électrique pour un module photovoltaïque soumis à des contraintes spatiales
Le CEA développe des nouvelles architectures cellules et modules ainsi que des outils de simulation pour évaluer les performances électriques des systèmes photovoltaïques (PV) dans leur environnement de fonctionnement. Un des modèles appelé CTMod (Cell To Module) développé au CEA, permet de tenir compte des différents matériaux constituant le module, mais aussi, des différentes architectures de cellules. Pour les applications spatiales, la communauté souhaite utiliser les technologies terrestres à base de silicium intégrables sur des PVA (Photovoltaïc Assembly) flexibles. L’environnement spatial impose de très fortes contraintes. Une évaluation pertinente des performances en début et fin de mission est donc indispensable pour leur dimensionnement.
L’objectif de la thèse est de corréler les modèles physiques de dégradation rayonnement-matière spécifique pour une utilisation dans le domaine spatial avec les modèles électriques des cellules photovoltaïques. Les dégradations des performances liées aux différentes irradiations électrons, protons et ultraviolet (UV) de l’environnement spatial seront évaluées et validées expérimentalement. Associé au modèle CTMod, cette nouvelle approche jamais abordée dans la littérature permettra d’avoir une compréhension plus pointue des interactions entre les radiations et les PVAs. Ces dégradations sont issues de phénomènes de dépôts d’énergie non ionisants, quantifiés par la dose de défauts par déplacement, et ionisants quantifiés par la dose ionisante totale pour les protons et électrons. Pour les UV, l’excitation des électrons de la matière engendre des ruptures de chaînes dans les matériaux organiques et des centres colorés dans les matériaux inorganiques. Dans un premier temps la cellule solaire utilisée dans le modèle sera une cellules Silicium, mais le modèle pourra être complété avec d’autres types de cellules solaires en développement telles que les cellules à base de perovskite.
Influence de la synthèse sur la modélisation des mécanismes de stockage du sodium dans le carbone dur
Les batteries sodium-ion (Na-ion) suscitent un intérêt considérable en tant qu'alternative crédible aux batteries lithium-ion largement utilisées aujourd'hui. L'abondance du sodium, ainsi que l'utilisation potentielle de matériaux d'électrode sans éléments critiques dans leur composition, ont conduit à l'intensification de la recherche sur les batteries Na-ion. Le carbone dur (HC) est identifié comme l'électrode négative la plus appropriée pour cette technologie. Il n’existe toutefois pas de consensus concernant les mécanismes de stockage du sodium dans le HC, parce que les multiples précurseurs et méthodes de synthèse conduisent à des HC singulièrement différents qui ne fonctionnent évidemment pas de la même façon. Une grande base de données fournit des relations entre les paramètres de synthèse (précurseur, lavage, prétraitement, pyrolyse, broyage) et les propriétés du HC (porosité, structure, morphologie, chimie de surface, défauts), mais elle n’explique pas ces relations. Par conséquent, l'approche envisagée dans cette thèse est une modélisation multiphysique des performances du HC permettant de comprendre l'influence du précurseur et de la méthode de synthèse, en exploitant la grande base de données de caractérisation existante.
Pronostic de salissures des modules PV via la modélisation de l'environnement réel et la fusion de données
Les centrales photovoltaïques (PV) notamment celles installées dans des zones sujettes aux salissures, telles que les régions sèches, ainsi que les sites marins et agricoles, peuvent subir des pertes énergétiques allant jusqu'à 20 à 30 % par an. Cela représente des pertes financières dépassant 10 milliards d'euros en 2023.
Cette Thèse vise à développer une méthode robuste et complète pour prédire l’accumulation de salissures des modules/systèmes PV, en combinant la modélisation de l’environnement réel et les données opérationnelles PV (électriques, thermiques, optiques). La Thèse sera réalisée dans une approche ascendante en trois étapes :
1. Niveau composant/module PV : Reproduction et modélisation de l’accumulation de salissures en laboratoire, suivies d’une validation expérimentale. Ce travail s’appuiera sur les compétences du CEA en modélisation des mécanismes de dégradation, y compris les tests accélérés.
2. Niveau module/système PV : Mise en place de campagnes de monitoring pour collecter des données (météorologiques, opérationnelles, imagerie) et essais sur un site pilote. Les données serviront à valider et améliorer les outils de diagnostic du CEA, en ajoutant des fonctions innovantes comme la prédiction de la propagation des salissures grâce à l’IA.
3. Niveau système/exploitation PV : Validation de la méthode sur des modules PV commerciaux dans des centrales PV, avec pour objectif de démontrer son applicabilité à grande échelle.
Les résultats de la Thèse contribueront au développement d'un outil/méthode innovant pour le diagnostic/pronostic complet des salissures dans les installations PV, permettant à la fois de minimiser les pertes d'énergie et d'anticiper/optimiser les stratégies de nettoyage d'une centrale PV.
Matériaux eco-conçus pour l’encapsulation des modules photovoltaïques flexibles de nouvelles générations
La durée de vie des dispositifs couches minces tel les dispositifs photovoltaïques Organiques (OPV) ou des modules Silicium (Si) photovoltaïques léger et/ou flexible de nouvelle génération est un point critique pour leur commercialisation. Il est notamment crucial de les encapsuler avec des matériaux hautement barrières aux gaz afin d’éviter leur dégradation selon différents mécanismes liés à l’insertion d’eau/oxygène qui peuvent être couplés à l’illumination. Cet objectif est d’autant plus complexe lorsque le dispositif, ainsi que son encapsulation, doivent être flexibles. Par ailleurs, l’éco-conception de cette nouvelle génération de modules flexibles amène aussi bien la question de la nature des matériaux d’encapsulation employés que celle de la fin de vie des matières constituant les modules. Par exemple, l’usage actuel de polymères fluorés pour l’encapsulation génère des produits toxiques en fin de vie et pourrait être substitué par l’usage de matériaux éco-conçus, potentiellement bio-sourcés, si les performance sont adaptées à la technologie photovoltaïque employée et à l’usage.
L’objectif de cette thèse sera tout d’abord d’étudier les propriétés physico-chimiques (barrières aux gaz, mécaniques, thermiques..) d’encapsulants bio-sourcés développés dans le cadre d’un projet national PEPR BioflexPV. Ces études concerneront aussi bien les matériaux de scellage que les capots flexibles. Par ailleurs, ces matériaux seront employés pour l’encapsulation de dispositifs réels OPV et Si flexibles afin d’en étudier la dégradation selon différentes conditions d’illumination, de température et d’hygrométrie. Ces études permettront de définir les mécanismes de dégradation mis en jeux selon la technologie photovoltaïque employée (OPV ou Si) et ainsi de définir les propriétés souhaitées pour les encapsulants bio-sourcés.
Conception et fiabilité d’architecture modulaire de panneaux PV reconfigurables et réparables
L’intégration de modules photovoltaïques est devenu un enjeu pour l’adaptation au changement climatique, avec notamment l’installation de modules PV spécifiques dans les espaces urbains, sur les véhicules ou dans les exploitations agricoles. Ces modules sont appelés à fonctionner dans des situations plus complexes présentant une forte variabilité temporelle et des expositions au soleil changeantes. Les enjeux scientifiques du projet sont de déterminer les conditions nécessaires à l’optimisation des performances des modules PV face à ces perturbations extérieures par l’introduction d’architectures électriques reconfigurables. Un modèle de fiabilité sera développé pour intégrer l’influence des architectures système proposées, afin de garantir un niveau de fiabilité amélioré. Un travail approfondi sera mené sur l’ensemble du module PV, des technologies cellules aux caractéristiques électriques finales demandées, en passant par les technologies de commutation électrique. Dans une seconde phase, une méthodologie de conception sera développée en lien avec un état de l’art précis des technologies de commutation disponibles. La méthode sera appliquée à un cas d’usage répondant en priorité à la problématique d’ombrage et/ou défaillance partielle du module PV. Enfin, les architectures proposées seront évaluées par analyse de cycle de vie. Les conceptions autorisant une maintenance ou remplacement de certains éléments seront détaillées et comparées aux performances des modules habituels.