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Offre de Stage : Analyse d’une machine thermique multifonctionnelle (froid, électricité et stockage)

Niveau : Formation BAC+5 (Master ou Ingénieur)

Contexte

Ce stage s’inscrit dans des enjeux énergétiques importants et d’actualité : la valorisation de chaleurs basse température (telles que l’énorme gisement de rejets thermiques industriels, l’énergie solaire basse concentration…), la problématique du stockage pour gérer les fluctuations à la fois des sources et des demandes énergétiques, et la demande croissante en électricité et en froid.
Pour répondre à ces problématiques, le laboratoire a défini un procédé thermodynamique innovant intégrant une cogénération de froid et d’électricité associé à une fonction stockage d’énergie.

Programme du stage

  1. Ce stage débutera classiquement par une phase d’apprentissage des acquis du laboratoire sur ces systèmes hybrides.
  2. Expérimentations : le ou la stagiaire participera aux campagnes expérimentales, avec une attention particulière aux conditions de fonctionnement de l’organe de détente.
  3. Modélisation et simulation numérique : le ou la stagiaire se familiarisera avec l’outil de simulation dynamique existant. Sur la base des résultats expérimentaux, il ou elle analysera la validité du modèle, et identifiera les paramètres caractéristiques. Des modèles plus complets d’organes de détente disponibles dans la littérature seront éventuellement testés. L‘objectif étant de déterminer un modèle d’organe de détente représentatif, mais de complexité modérée pour l’intégrer dans le modèle global de cycle hybride.
  4. Voies d’optimisation : analyse thermodynamique, identification des principales irréversibilités
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Offre de Stage : Analyse numérique de cycles hybrides multifonctionnel pour la valorisation en froid de chaleur basse température

Niveau : Formation BAC+5 (Master ou Ingénieur)

Contexte
La valorisation des rejets industriels, autrement appelés chaleurs fatales, est un gisement très important d’énergie et qui est actuellement sous-exploité. D’après l’ADEME, le déploiement de systèmes capables de transformer ces rejets (en froid ou en électricité) et de stocker cette énergie est un levier pour mener à bien la transition énergétique. Des systèmes de conversion sont d’ores et déjà disponibles pour la valorisation de chaleur à des températures supérieures à 100°C. Cependant, pour des températures de source inférieures, aucune solution n’est actuellement proposée. Une réponse est le développement de systèmes de conversion et de stockage d’énergie multifonctionnels (multi-effets utiles) fonctionnant à basse température. Pour cela, il est possible de combiner des cycles à éjecto-compresseur et des cycles thermochimiques pour obtenir des cycles hybrides innovants associant valorisation de chaleur basse température (< 100 °C) et multifonctionnalité (stockage et production de froid).
Dans la littérature, des cycles hybrides couplant cycle à compression mécanique de vapeur et cycle thermochimique ont été étudiés et ont démontré leur potentiel de valorisation d’énergie thermique basse température pour le stockage et la production de froid. Cependant, ces cycles induisent une consommation d’électricité qui serait très fortement réduite avec les cycles hybride proposés.
Afin d’évaluer leur potentiel de développement, il est indispensable de caractériser de manière précise les conditions de fonctionnement de ces cycles et notamment le couplage entre le réacteur thermochimique et l’éjecto-compresseur.
Le laboratoire PROMES mène depuis le milieu des années 2010 des travaux sur l’hybridation des cycles thermochimiques pour développer des cycles multifonctionnels (froid + stockage, froid + électricité + stockage) pour la valorisation de chaleur moyenne et basse température [4-6]. Ces premiers travaux ont abouti à la définition de nouvelles architectures de cycles dont certains font actuellement l’objet d’expérimentations financées par des projets ANR (RECIF et ThermHyVal) et un projet de prématuration de CNRS.
Ces recherches sont au coeur des travaux actuellement menées dans l’action « stockage et polygéneration » de l’axe « Stockage et Chimie Solaire » du laboratoire PROMES

Programme du stage

La première partie de ce stage sera consacrée à l’étude bibliographique des cycles à sorption pour la valorisation de chaleur basse température. Après avoir établi les différentes configurations de cycle possibles, une modélisation thermodynamique statique sera développée pour produire un outil de simulation capable de déterminer, les conditions opératoires, les performances énergétiques et exergétiques pour un grand nombre de couples réactifs connus.
L’ensemble de ces taches sera réalisé en étroite collaboration avec l’équipe

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SFERA-III 4th Training for Industries course

We are pleased to present the 4TH Training for Industries course with the topic Molten Salt Systems CSP plants. This courseis organized by ENEA and DLR and will take place at the Cr ENEA Casaccia Via Anguillarese 301 – 00123 Rome, Italy from November 7th – 11th, 2022. It is designed for engineers, researchers and representatives from European CSP industry and companies. For more information and application please visit SFERA-III website.

The SFERA 3 training courses for CSP professionals focus on the main CSP technologies and aim at facilitating the communication between European researchers and industry as well as enhancing the transfer of know-how and innovations. Therefore participants will be trained on European test infrastructure by expert researchers in the field.

Contact: Walter Gaggioli (ENEA) – Tel.: +39 (0)630486212 – Email:

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Offre de Stage : Recyclage de batteries Li-ion par énergie solaire concentré

Présentation du sujet

Contexte
Le solaire à concentration permet d’obtenir des températures comprises entre 500 et 2500°C, domaine parfaitement adapté à la synthèse, la purification et le recyclage de matériaux (1, 2, 3). Cette dernière application a fait l’objet de très peu de travaux. Pourtant le recyclage et la purification des matériaux constituent une niche potentielle d’application du solaire à concentration (d’ailleurs identifiée par Félix Trombe, fondateur du Four solaire, il y a des décennies) que ce stage se propose d’explorer en prenant pour exemple les batteries Li-ion. En effet, le développement rapide de ces batteries nécessite, en parallèle, la mise au point de procédé propre de recyclage des métaux critiques tels que Li, Co, Mn et Ni.

Déroulé du stage
Le stage sera structuré selon les phases suivantes :

  • Etude bibliographique sur les procédés de recyclage des batteries Li-ion et identification des méthodes pyro-métallurgiques adaptées à l’utilisation du solaire à concentration.
  • Essais paramétriques pour identifier les domaines de température favorable.
  • Caractérisation des produits obtenus et comparaison avec les méthodes classiques
  • Dimensionnement d’une installation solaire.
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Offre de Stage : Simulations d’écoulements anisothermes fluide – particules : calcul précis d’une indicatrice aux faces

Mots-clés
Mécanique des fluides numérique, Thermique, Ecoulement diphasique fluide – particules, Front-Tracking, Simulation Numérique Directe

Objectif
Une méthode de simulation numérique directe d’écoulements fluide – particules solides, utilisant la méthode Front-Tracking (FT) du logiciel TrioCFD et une approche Discrete Element Method (DEM), a récemment été développée. La fonction indicatrice permet de connaître le taux de présence solide dans chaque maille du domaine. Elle est calculée précisément au centre des mailles cubiques et interpolée aux faces de celles-ci. L’erreur commise lors de l’interpolation influe d’autant plus sur le frottement que le rapport de viscosité ente les deux phases est important. Les particules solides étant définies comme un liquide dont la viscosité est très grande (> 103) devant la viscosité du fluide, le frottement
à l’interface fluide – particule est surestimé. L’objectif du stage est d’implémenter un calcul précis de la fonction indicatrice aux faces des mailles.

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Offre de Stage : Simulations d’écoulements anisothermes fluide – particules

Mots-clés
Mécanique des fluides numérique, Thermique, Ecoulement diphasique fluide – particules, Front-Tracking, Simulation Numérique Directe.

Objectif
Une méthode de simulation numérique directe d’écoulements fluide – particules solides, utilisant la méthode Front-Tracking (FT) du logiciel TrioCFD et une approche Discrete Element Method (DEM), a récemment été développée. L’objectif de ce travail consiste à valider cet outil numérique sur des simulations d’écoulements anisothermes.

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Proposition de Postdoctorat : Simulations numériques fines de transferts radiatifs entre particules dans les lits fluidisés. Application aux centrales solaires à concentration

Contexte

Les lits fluidisés circulants possèdent des caractéristiques exceptionnelles en termes de transport et de mélange, de mise en contact entre la phase dispersée et le milieu gazeux, d’inertie thermique et de transfert en parois. Ces caractéristiques les rendent très présents dans le domaine de l’énergie notamment pour le développement de procédés innovants qui répondent aux enjeux de la transition énergétique. Les lits fluidisés circulants gaz-solide sont étudiés par le laboratire PROMES comme une alternative aux fluides caloporteurs qui sont utilisés pour transporter la chaleur obtenue à partir du rayonnement solaire dans les centrales solaires à concentration notamment dans le cadre des projets européens CSP2 et Next-CSP [1 – 4]. Dans ce procédé, le rayonnement solaire est concentré sur des tubes verticaux au sein desquels circule un mélange gaz-particules. La compréhension et la maitrise des régimes d’écoulements en jeu, et des transferts thermiques associés, restent actuellement des verrous scientifiques pour le développement de cette technologie. Les couplages entre la dynamique, la thermique, le caractère diphasique de l’écoulement, les effets de parois et les transferts radiatifs rendent la physique particulièrement complexe. Pour mieux comprendre ces couplages, le laboratoire PROMES développe des méthodes numériques fines où les interactions fluide-particules sont explicitement simulées. Le code de calcul haute performance (HPC) TrioCFD basé sur une méthode Front-Tracking a été modifié pour permettre la simulation de particules solides [5]. Il a été utilisé avec succès pour simuler des écoulements de lits fluidisés avec plusieurs milliers de particules (voir figure 1). Cependant, la méthode actuelle ne prend pas en compte les transferts radiatifs.

L’analyse des verrous technologiques liés à l’application solaire identifie comme priorité le développement de la simulation couplée du transport et des transferts de chaleur par conduction et par rayonnement dans les lits fluidisés gaz-solide à haute température. L’enjeu scientifique majeur concerne l’identification du rôle des transferts radiatifs particule-particule et particule-paroi grâce à l’étude de son couplage avec l’hydrodynamique. Ce développement, indispensable pour l’application aux centrales solaires à concentration, n’a encore jamais été réalisé dans le cadre de simulations fines d’écoulement fluide-particule et constitue une ouverture majeure vers le couplage multi-physique.

Travail à réaliser

Trois étapes de travail à réaliser ont été identifiées. La première étape consiste à implémenter les transferts radiatifs entre les parois et les particules ou entre les particules au sein de TrioCFD en utilisant la méthode de Front-Tracking.  Cette méthode a l’avantage d’utiliser un maillage surfacique mobile pour suivre l’interface fluide/solide. Ce maillage mobile sera utilisé pour le calcul des transferts radiatifs (voir figure 2). Le milieu gazeux étant considéré comme transparent, les particules comme faiblement réfléchissantes et la diffraction pouvant être négligée, la méthode des radiosités et la méthode de Monte-Carlo seront évaluées pour calculer les flux radiatifs nets échangés par chaque surface élémentaire d’une particule et à chaque pas de temps en suivant leur déplacement [6]. Deux possibilités sont envisagées : implémenter une méthode de résolution des transferts radiatifs (radiosités ou Monte-Carlo) au sein de TrioCFD (couplage online) ou coupler TrioCFD avec un autre logiciel existant pour les calculs des transferts radiatifs (couplage offline). Pour cette deuxième possibilité, le maillage surfacique des particules et la température aux interfaces devront être communiqués au logiciel externe. Sur cette partie du travail, l’encadrement sera renforcé par Cyril Caliot (CNRS, LMAP, UPPA) qui possède une expertise sur les modèles et méthodes de résolution des transferts radiatifs. 

La seconde étape du projet consistera à valider les développements réalisés sur des configurations simples. Par exemple en ne considérant que les transferts radiatifs dans des géométries ou les facteurs de forme sont connues.

La troisième étape du projet consiste dans la mise en œuvre des outils de simulation fine sur des configurations simplifiées mais représentatives de l’application aux centrales solaires à concentration pour analyser et quantifier les phénomènes physiques mis en jeux. Les configurations d’écoulements anisothermes prévues sont :

  • L’écoulement d’un gaz à travers un réseau fixe de particules ;
  • Un écoulement de type lit-fluidisé gaz-solide à petite échelle.

Les simulations fines seront réalisées avec prise en compte du couplage entre le transport et les transferts thermiques par conduction et par rayonnement entre les particules et les parois.

Sujet de recherche du LABEX SOLSTICE : Simulation et modélisation

Modélisation et simulation numérique en mécanique des fluides et transferts de chaleur dans les récepteurs solaires en utilisant du calcul haute performance (HPC). Modeling and numerical simulations of fluid dynamics and heat transfer in solar receivers using high performance computing (HPC).

Durée et lieu : 1 an, laboratoire PROMES-CNRS, site de Perpignan

Candidature : Envoyer lettre de motivation et CV à

Adrien TOUTANT – 04 68 68 27 09 –

Samuel MER – 04 68 68 22 38 –

Bibliographie

[1] Next-CSP (2020). High Temperature Concentrated Solar Thermal Power Plant with Particle Receiver and Direct Thermal Storage. Available online: http://next-csp.eu/ (accessed on October 2022).

[2] Gueguen R., Sahuquet G., Mer S., Toutant A., Bataille F., Flamant G., Gas-Solid Flow in a Fluidized-Particle Tubular Solar Receiver: Off-Sun Experimental Flow Regimes Characterization, Energies, vol. 14(21), 7392, 2021.

[3] Sahuquet G., Gueguen R., Fontalvo L., Mer S., Toutant A., Bataille F., Flamant G., Particle Flow Heterogeneity in Fluidized-Particles Multitube Solar Receiver, SolarPACES, Albuquerque, USA, 27-30 September, 2022.

[4] Gueguen R., Grange B., Bataille F., Mer S., GUEGUEN R., GRANGE B., BATAILLE F., MER S., FLAMANT, G., 2020, “Shaping High Efficiency, High Temperature Cavity Tubular Solar Central Receivers”, Energies, 13, 4803. DOI: 10.3390/en13184803

[5] Hamidi S., Toutant A., Mer S., Bataille F., “Assessment of a coupled VOF-Front-Tracking/DEM method for simulating  fluid-particles flows”, Submitted to International Journal of Multiphase Flows, 2022.

[6] Delatorre, J., Baud, G., Bezian, J.J., Blanco, S., Caliot, C., et al., 2014, “Monte-Carlo advances and concentrated solar applications”, Journal of Advances in Modeling Earth Systems, Vol. 11, Issue 8, pp. 653-681. hal-01625034

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Proposition de thèse : Turbulent two-phase flows in direct steam generation solar receiver

Framework of the TOPCSP project

Ten PhD positions are available in the TOPCSP doctoral network funded by the Horizon-MSCA DN- 2021 call. The Towards Competitive, Reliable, Safe and Sustainable Concentrated Solar Power (CSP) Plants (TOPCSP) project will
offer a unique international, intersectoral and interdisciplinary research and innovation framework to 10 promising doctoral candidates and will boost their excellence in the development of innovative technologies and so that they will be capable of solving the challenges that currently face the solar thermal power industry. The overall research objective of the project is to improve the design of the different systems of a CSP plant to increase its cost- competitiveness, reliability, environmental profile, and operational safety.
Core research skills will be acquired by each doctoral candidate through the doctoral-level investigations of the task associated with his/her individual research project. Additional research skills will be delivered in the network-wide workshops, international conferences and training
modules. A training in transferable skills, will help the doctoral candidates project their careers towards innovative and hi-tech applications in the non-academic sector. Every doctoral candidate will undertake secondments in academic and non-academic institutions of the consortium institution to develop their intersectoral and interdisciplinary skills.

Specific background of the PhD thesis

One of the concentrated solar technologies currently being developed consists of direct steam generation (DSG) in the solar receiver. This eliminates the need for a HTF, reduces the number of heat exchangers and potentially increases the efficiency of the plant. The steam produced can either drive a turbine to generate electricity or be directly used by an industrial process or a heating network. DSG in the receiver
of parabolic trough collectors is proven technology although numerical studies are limited due to the lack of knowledge about the thermo-physical process of two-phase flow boiling in the horizontal and inclined DSG receivers. Current numerical modelling and experimental correlations are limited to specific case studies. At the entrance of the solar field, pressurized water enters the receiver. Under the effect of convective heat exchange between the fluid and the tube
wall, water evaporates, and a boiling two-phase flow is created in the receiver. Considering the tube lengths (~ 100m) and the heat fluxes involved (~ 40kW=m2), the vapour volume fraction varies depending on the position in the receiver tube. Reliable prediction of the two-phase flow regime in the receiver is of critical importance for two reasons: (i) predicting the amount of steam produced and, thus, plant production, and (ii) assessing the thermomechanical stresses
imposed on the tube materials. CNRS has previous experience modelling these flows using a Euler-Euler approach, showing the ability of the method to reproduce the physics involved in a case of evaporation of a freon in a horizontal coiled tube. In this PhD project this methodology
will be applied to a solar receiver.

Objectives and research plan

The candidate, hosted by CNRS, will set up numerical simulations using NEPTUNE_CFD software to model the flow in the DSG plant. The thermal conduction in the walls of the receiver will be considered with Syrthes software. A coupling between the two codes will be implemented to perform massively parallel simulations on European supercomputers. Due to the recent emergence of this type of power plant, experimental operating data, essential for validating numerical tools, are currently unavailable in the literature.
The researcher will set up a small-scale experiment, without solar irradiation, to reproduce the physics of boiling flows in a DSG receiver. The experimental data will be compared with the computational results to validate the modelling approach.

Applicant profile : We are looking for candidates with a master degree in fluid mechanics or energetics. Good English speaking/writing/reading skills is required along with a solid
knowledge of heat transfer and applied thermodynamics. Given the research program, an appetite for experimental and numerical work is essential. Previous experience in programming would be appreciated but is not required.

Location : PROMES Laboratory – Perpignan, FRANCE.
Salary : The base salary is 3043 €/ month gross. A family bonus is also possible depending on the situation of the person recruited
Eligibility criteria : Recruited researchers can be of any nationality and must comply with the following mobility rule: they must not have resided or carried out their main activity (work, studies, etc.) in France for more than 12 months in the 36 months immediately before their recruitment date. Compulsory national service, short stays such as holidays and time spent by the researcher as part of a procedure for obtaining refugee status under the Geneva Convention are not taken into account.

Contacts : Samuel Mer –
Adrien Toutant –

  • Application deadline : Applications must be performed before November 1, 2022
  • Selection process : Candidates must apply on the online platform of CNRS (CNRS) and join the following informations/documents :
  • the application form to be found on EURAXESS portal
  • a detailed CV, including the list of the applicant’s publications (if any).
  • a motivation letter
  • a transcripts of bachelor and master’s degrees (including the grade range)
  • an english language certificate (if available)
  • the e-mail address and telephone number of two referees, who can provide a letter of recommendation if needed.
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Troisième édition des Visites insolites du CNRS

Fête de la science – À la découverte du grand four solaire d’Odeillo

7 octobre 2022 – Partez à la découverte du grand four solaire d’Odeillo un dispositif unique au Monde. Découvrez comment est concentrée l’énergie solaire capable de fondre tous les matériaux connus. Des matériaux pour sonde spatiale à la production d’électricité en passant par le stockage de l’énergie, partez à la rencontre des travaux des chercheurs et des chercheuses avec ce grand four solaire.

7 octobre 2022 à 10h00 et 14h00
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Anita Haeussler, lauréate du Prix de Thèse 2021 du Collège Doctoral Languedoc-Roussillon dans le domaine des « Sciences et Technologies »

Ce prix distingue deux jeunes chercheurs formés en Région et dont les thèses présentent un intérêt particulier au regard de l’originalité́, de la qualité́ scientifique et de la portée socio-économique des travaux. Deux prix sont décernés : un prix de thèse « Sciences et Technologies » et un prix de thèse « Sciences Humaines et Sociales ».