Analyse de l’efficacité énergétique d’un système solaire géothermique hybride

Contexte :

Face à l’accélération du réchauffement climatique, une des principales solutions est de remplacer les énergies fossiles par des énergies renouvelables. L’énergie solaire et la géothermie sont deux énergies propres dont les utilisations connaissent une grande croissance ces dernières années dans le monde entier. En ce qui concernent les systèmes de la production énergétique pour les bâtiments, le système des capteurs solaires et le système géothermique (à faible profondeur <300m) sont très complémentaires : Les capteurs solaires ont l’avantage d’avoir à une source facilement accessible et relativement puissante, mais sa puissance varie selon la saison et la condition métrologique.  Quant au système géothermique, son avantage est la puissance quasi-constante de sa source, mais cette puissance est relativement faible par rapport à la longueur d’échangeur installé.

Plus spécifiquement, les capteurs solaires tel que le système Photovoltaïque/thermique (PV/T) combine la production d’énergie électrique et thermique. La combinaison du PV et des échangeurs thermiques améliore le rendement électrique en vue de refroidissement des cellules PV, ainsi que réduire les risques d’endommagement des cellules PV pour des hautes températures, d’où l’augmentation de la durée de vu de la cellule PV. Cependant, quelques contraintes limitant l’encouragement de leur utilisation.

La première contrainte réside dans le rapport production/besoin thermique instantané pendant la période estivale, qui est supérieur à l’unité, d’où une surproduction du système révèle un gaspillage de l’énergie. La deuxième contrainte réside sur l’effet de la température d’entrée des capteurs, par ailleurs pendant la période estivale, la température de l’eau à l’entrée des capteurs estimée parfois élevée, qui limite un refroidissement efficace des cellules PV.

En couplant le système PV/T avec une source performante comme le système géothermique, la synergie énergétique entre ces deux systèmes sera développée afin de résoudre le problème de surproduction et d’assurer un refroidissement efficace.

Objectif de la thèse :

Les systèmes hybrides d'énergie renouvelable (HRES) combinent plusieurs systèmes d'énergie renouvelable et constituent une solution intéressante pour la production décentralisée d'énergie renouvelable. L’objectif de cette thèse est d’analyser l’efficacité énergétique d’un système solaire géothermique hybride. Cette analyse nécessite d’identifier les paramètres déterminants du système solaire PV/T et du système géothermique liés au fonctionnement de la synergie énergétique des deux systèmes et de développer une méthode de dimensionnement et un algorithme de contrôle afin d’optimiser et de préserver cette synergie.

Description des tâches :

1. Dans le premier volet de ce projet doctoral, une étude expérimentale sera menée sur la plateforme géothermique existante à Université de Strasbourg. Des capteurs PV/T seront installés et couplés avec le système géothermique à eau de la plateforme. Nous envisagerons d’étudier le fonctionnement du couplage capteurs PV/T et système géothermique à travers deux aspects :

-      Stockage d’énergie inter-saisonnier

Stockage de la superproduction thermique du système PV/T pendant la période estivale par le système géothermique. Cette énergie thermique stockée va être restituée dans la période hivernale afin d’améliorer la performance thermique du système des capteurs solaires

-      Geo-cooling du système PV/T

Utilisation de l’échangeur eau/sol du système géothermique pour optimiser le refroidissement des cellules PV afin d’améliorer leur rendement et augmenter leur durabilité.

2. Dans le deuxième volet de ce travail, basé sur les données issues de l’étude expérimentale, une étude numérique sera réalisée. L’accent de cette partie d’étude sera mis sur deux points :

 -     Modélisation numérique du couplage du système PV/T et le système géothermique

En utilisant les paramètres géométriques des deux systèmes couplés et les propriétés thermophysiques des matériaux utilisés dans ces systèmes, un modèle numérique sera développé pour reproduire le fonctionnement du couplage des deux systèmes. Le modèle numérique sera validé par les mesures réalisées dans le premier volet du projet.

-     Etude d’optimisation des paramètres des système et du fonctionnement

En utilisant le modèle numérique développé et validé du couplage PV/T-géothermique, une étude d’optimisation sera menée pour trouver les paramètres des deux systèmes qui permettent d’atteindre la meilleure synergie énergétique. Enfin, différentes charges thermique et électrique d’utilisation ainsi que différents scénarios météorologiques seront appliqués au modèle afin de trouver l’algorithme de contrôle qui préserve la synergie énergétique du couplage des deux systèmes.

Références :

(1) S. Kallio, M. Siroux, Exergy and exergo-economic analysis of a hybrid renewable energy system under different climate conditions, Renewable Energy, Vol 194, 2022 https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.05.115

(2) S. Kallio, M. Siroux, Photovoltaic power prediction for solar micro-grid optimal control, Energy Reports 9, 594-601, 2023, https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.11.081

(3) W. Zeitoun, J. Lin, M. Siroux, Energetic and exergetic analyses of an experimental Earth–Air Heat Exchanger in the northeast of France, Energies 16 (3), 1542, 2023, https://doi.org/10.3390/en16031542

(4) M. Cuny, J. Lin , M. Siroux , C. Fond, Influence of an improved surrounding soil on the energy performance and the design length of earth-air heat exchanger, Applied Thermal Engineering, page 114320, Volume 162, novembre 2019, doi:https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114320

Le laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (ICUBE, UMR7357)

L'année 2013 voit la naissance du laboratoire ICube, un formidable projet sous l'égide du CNRS, de l'Université de Strasbourg, de l’ENGEES et de l’INSA de Strasbourg. 

Le laboratoire rassemble à parts égales deux communautés scientifiques à l’interface entre le monde numérique et le monde physique, lui donnant ainsi une configuration unique.

Avec près de 650 membres, il est une force de recherche majeure du site de Strasbourg. Fédéré par l'imagerie, ICube a comme champs d'application privilégiés l'ingénierie pour la santé, l'environnement et le développement durable.

Connaissance en analyse énergétique;

Expériences en expérimentation et/ou modélisation numérique appréciées.