Avis de Soutenance de Thèse de Doctorat présentée par : MBODJI Ndiaga

      AVIS DE SOUTENANCE

        DE THESE DE DOCTORAT

 

 

Présentée par :          Monsieur MBODJI Ndiaga

Domaine :                  Sciences agronomiques et agro-alimentaires

Unité de Recherche :  Génie des Procédés et Environnement

Intitulé de la thèse :         Développement, test, modélisation et analyse économico-environnementale d’un système solaire à haute temperature pour la cuisson domestique à l’intérieur muni d’un support de stockage d’énergie pour usage continu

 

Membres du jury:

Pr Ali HAJJI , IAV Rabat (Directeur de thèse)

Pr Said HACHIMI, Ecole Nationale Supérieure des Mines, Rabat (Membre comité thèse)

Pr Mostafa MAALMI, Ecole Nationale Supérieure des Mines, Rabat (Membre comité thèse)

Pr El Houssain BAALI, IAV Rabat (Rapporteur)

Pr Driss MESSAHO, IAV Rabat (Rapporteur)

Pr Mohamed TAHIRI, Directeur de l’Enseignement Supérieur et du Développement Pédagogique, MENFPESRS (Rapporteur)

 

Date :                               Samedi 13 mai 2017 à 10h30

Lieu :                                Amphi Paul Pascon, IAV Rabat

 

Résumé :

L'objectif principal de cette thèse est de concevoir, de construire, de tester, de modéliser, d’évaluer économiquement et d’analyser l’impact environnemental d’un système solaire à haute température destiné à la cuisson domestique qui est doté d’un support de stockage d’énergie afin de permettre une utilisation interne et en continue. Le système doit être robuste, modulaire, évolutif, facile à construire et à utiliser, et à bas coût en utilisant des matériaux disponibles localement. Il est réalisé principalement avec une parabole tapissée de miroirs qui reflètent les rayons solaires incidents et les concentrent sur un point focal où se trouve le récepteur ; tout le système est muni d’un mécanisme de suivi sur deux axes. Ainsi, pour aboutir aux objectifs définis, le travail est effectué en trois phases.

Lors de la première phase, un premier dispositif expérimental constitué d'un concentrateur
parabolique (0.80 m de diamètre et 0.08 m de profondeur), et d’un récepteur cylindrique de 1.57 L, a été testé durant la période du 24 avril au 10 juillet 2014, à Rabat (33°53’ N, 6°59’ O) sous un
ciel clair, et sous une température ambiante moyenne de 24 °C. Les résultats ont montré que
l'utilisation de l’eau comme fluide de transfert donnait une température maximale de 97 °C après 2.5 heures de chauffage. Le coefficient global des pertes de chaleur était de 17.6 W m-2 °C-1. Les rendements énergétique et exergétique étaient de 29.0 à 2.4% et de 0.1 à 0.5%, respectivement. L’utilisation de l'huile synthétique comme fluide de transfert donnait une température maximale de 153 °C après 5 heures de chauffage. L’ajout d'une vitre sur la face avant de l'absorbeur améliorait la température maximale de 15 °C. Le système de suivi solaire automatique sur deux
axes augmentait également la température maximale de 13 °C par rapport au système de suivi manuel.

Suite aux résultats obtenus, une deuxième phase de modélisation et d'optimisation du transfert de chaleur, dans les différentes composantes du système, a été entamée. Trois modèles dynamiques utilisant les bilans énergétiques ont été développés, et les équations des modèles ont été résolues en utilisant la méthode explicite des différences finies. Le troisième modèle donne la répartition détaillée de la température avec l'espace à une dimension en utilisant les résistances thermiques. Il prend en compte les interactions thermiques dans les différentes parties du système. Un deuxième dispositif expérimental composé d'un concentrateur parabolique (1.40 m de diamètre et 0.16 m de profondeur), d’un récepteur cylindrique de 1.57 L, et d’un ballon de stockage de 6.64 L a été mis en place et testé durant la période du 15 mai au 18 juin 2015, au même lieu sous un
ciel clair, et sous une température ambiante moyenne de 23.7 °C. La température maximale atteinte en utilisant l’huile synthétique était de 150 °C dans le récepteur après 1 heure de chauffage en circuit fermé, alors qu’elle était de 70 °C dans le ballon de stockage en circuit ouvert. La comparaison entre les températures prédites avec le troisième modèle et celles mesurées montrait un bon accord. La différence relative moyenne était entre ±2.4 et ±4.5%, et l’erreur quadratique moyenne était entre 1.2 et 3.0 °C dans le récepteur en circuit fermé avec le premier dispositif. Ces valeurs étaient entre ±3.8 et ±5.6%, et entre 1.3 et 1.5 °C dans le récepteur, et entre ±4.2 et ±7.0%, et entre 1.3 et 1.9 °C dans le ballon de stockage en circuit ouvert avec le deuxième dispositif. Les effets des paramètres importants de conception et de fonctionnement du système sont également analysés. Les résultats ont révélé que l’augmentation de 50 W m-2 du rayonnement solaire maximal journalier augmentait la température du ballon de stockage de 4 °C, et une augmentation de la réflectance et de l'absorptance du récepteur de 5% améliorait la température du ballon de stockage maximale de 3.6 °C et de 3.9 °C, respectivement. L’optimisation du rapport d'aspect du récepteur à 2 donnait une température du ballon de stockage maximale de 89 °C. La hausse du débit massique du fluide de transfert de 0 à 18 kg h-1, et de l'isolation thermique du récepteur de 0.01 à 0.08 m augmentaient la température du ballon de stockage maximale de 70 °C et de 17 °C, respectivement.

La troisième phase a permis d’évaluer les impacts économiques et environnementaux de la cuisson solaire au Maroc. Pour satisfaire les besoins énergétiques d’un ménage de 5 personnes consommant 3 kg de repas à midi pour une durée de cuisson de 2.5 heures, un concentrateur parabolique de 1.4 m de diamètre (surface utile de 1.6 m²) était nécessaire. A l’échelle du ménage, l’analyse financière de la cuisson solaire directe a montré que le temps de retour d’un cuiseur solaire direct par rapport au butane variait de 4 à 10 années selon le taux de la subvention publique. Par rapport au bois de feu, le temps de retour variait de 0.6 à 10 années selon le rendement du four et le prix du bois de feu. A l’échelle nationale, pour subventionner à hauteur de 50% les cuiseurs solaires directs avec un taux de pénétration de 50% en milieu rural, l’Etat doit consentir un budget de 1.61 milliard de dirhams. Cet investissement permettrait de réaliser des économies annuelles sur la subvention du butane d’environ 185 millions de dirhams, ce qui correspond à un temps de retour de 8.7 années et un bénéfice de 1.45 milliard de dirhams sur la durée de vie des cuiseurs estimée à 15 ans. Sur le plan écologique, la surface de forêt épargnée serait d’environ 10 000 ha par année et la quantité de CO2 non émise serait de 1.08 Mt par année. Par contre l’analyse économico-environnementale de la cuisson solaire indirecte a révélé à l’échelle du ménage un temps de retour variant de 7.9 à 15.5 années pour le butane selon le taux de la subvention publique, et de 1.2 à 15.9 années pour le bois de feu selon le rendement du four et le prix du bois de feu. A l’échelle nationale, la subvention à hauteur de 50% avec un taux de pénétration de 75% en milieu rural et de 25% en milieu urbain donne un temps de retour de 12.1 années, et un bénéfice de 4.86 milliards de dirhams après 15 ans d’exploitation moyennant un budget de 17.22 milliards de dirhams. Annuellement, environ 37 930 ha de forêt seraient épargnés et les réductions des émissions de CO2 seraient de 4.69 Mt.

 

Mots clés : cuisson solaire, performance, modélisation, système de cuiseur solaire parabolique,
stockage de chaleur, analyse paramétrique, évaluation économique, impact environnemental.

 

INVITATION GENERALE