Catégorie : Stages

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Stage Master 2, site du Grand Four solaire d’Odeillo

Objectif
Le stage consistera principalement à étudier le comportement de matériaux conçus par fabrication additive (alliages métalliques Inconel718 ou composites céramiques ZrB2/MoSi2) sous flux solaire concentré et air standard ou dissocié, en utilisant l’enceinte MESOX (Moyen d’Essai Solaire d’OXydation) et à caractériser l’endommagement des matériaux par diffraction de rayons X, sectroscopie μ-Raman et/ou spectrométrie photoélectronique X. Une étape préalable de recherche bibliographique permettra au ou à la stagiaire de comprendre le fonctionnement des installations solaires et le comportement (résistance à l’oxydation et aux chocs thermiques) des matériaux soumis à des conditions extrêmes de traitement. Des modélisations sous logiciels Scilab/Matlab ou ANSYS/Fluent pourraient être effectuées en parallèle aux études expérimentales pour évaluer les performances thermiques des matériaux développés.

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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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Aujourd’hui, l’électricité issue de sources renouvelables « variables » (éolien, solaire) est essentiellement injectée sur le réseau électrique « au fil de l’eau », en fonction de la disponibilité de la ressource. Le déploiement massif d’électricité issue d’énergies renouvelables (EnR) variables soulèvera de nouveaux défis de compatibilité entre disponibilité de la ressource, et demande électrique. L’intégration de technologies de stockage de l’énergie constitue un levier prometteur permettant de lisser la production d’électricité renouvelable « variable » et à garantir une meilleure adéquation avec la demande électrique.

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PROMES est expert dans le solaire à concentration. Ce stage s’inscrit dans le projet NANOPLAST (nanoplast-project.cnrs.fr) en collaboration avec des laboratoires partenaires à Orléans, Nantes, Clermont-Ferrand et un partenaire industriel à Saint-Etienne. Dans ce projet, des revêtements minces absorbeurs pour le solaire thermique concentré sont développés et caractérisés. Leur réponse optique spectrale et la stabilité en température et sous rayonnement solaire de celle-ci sont des caractéristiques essentielles pour ces revêtements et sont donc étudiées.

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Niveau : Formation BAC+5 (Master ou Ingénieur)

Contexte : This internship is part of the SOLAIRE ANR project which includes 2 Ph.D. students. The SOLAIRE
project aims to improve the efficiency of converting concentrated solar energy into electricity using
artificial intelligence. The key component of these power plants is the solar receiver, which converts
concentrated solar energy into thermal energy and transfers it to a heat-carrying fluid, pressured air
in our case. The project focuses on maximizing thermal transfers between the gas and the wall of
the solar receiver, while minimizing pressure losses. This is done through optimization of thermal
transfers and the development of strategies for controlling near-wall turbulence in the solar receiver
using machine learning. To best assess different types of Thermal-Large Eddy Simulation (T-LES)
models in our study case, it is necessary to run simulations with different types of models on different
meshes to obtain the most accurate assessment of these models. This type of simulation offers a good
perspective as it’s comparatively much cheaper than Direct Numerical Simulation (DNS).

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Niveau : Formation BAC+5 (Master ou Ingénieur)

Contexte : This internship is part of the SOLAIRE ANR project which includes 2 Ph.D. students. The SOLAIRE
project aims to improve the efficiency of converting concentrated solar energy into electricity using
artificial intelligence. The key component of these power plants is the solar receiver, which converts
concentrated solar energy into thermal energy and transfers it to a heat-carrying fluid, pressured air
in our case. The project focuses on maximizing thermal transfers between the gas and the wall of
the solar receiver, while minimizing pressure losses. This is done through optimization of thermal
transfers and the development of strategies for controlling near-wall turbulence in the solar receiver
using machine learning. To best assess different types of Thermal-Large Eddy Simulation (T-LES)
models in our study case, it is necessary to run simulations with different types of models on different
meshes to obtain the most accurate assessment of these models. This type of simulation offers a good
perspective as it’s comparatively much cheaper than Direct Numerical Simulation (DNS).

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Niveau : Formation BAC+5 (Master ou Ingénieur)

Contexte :
Dans le cas d’une application de traitement des eaux, les catalyseurs ne sont capables d’exploiter que la part UV du spectre solaire qui ne représente que 5 – 7% de la part globale, contre 50 % par exemple pour le domaine visible. Actuellement les performances photocatalytiques des semiconducteurs élaborés en laboratoire ou dans l’industrie sont insuffisantes (moins de 1 photon sur 100 donne lieu à la création d’un radical utile pour initier la minéralisation des polluants) et rendent quasi rédhibitoire tout développement à grande échelle du concept de traitement par photocatalyse. Ces performances dépendent de plusieurs paramètres. Le rendement optique du catalyseur est une grandeur clef qui exprime le rapport entre le taux de charges photo-générées et le nombre de photons reçus. Pour les photocatalyseurs, ce rendement est donc un indicateur pertinent des performances potentielles du système photocatalytique puisqu’il informe sur la capacité du matériau à produire des radicaux à partir des photons disponibles et de leurs caractéristiques (densité de flux, plage spectrale etc).

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Niveau : Formation BAC+5 (Master ou Ingénieur)

Contexte :
Dans le contexte énergétique actuel, le développement et l’optimisation des procédés de conversion des énergies renouvelables suscite de plus en plus d’attention. L’énergie solaire thermique est parmi les sources d’énergie renouvelables les plus performantes et moins polluantes. Malheureusement, les pertes thermiques avec l’environnement restreignent les performances des collecteurs solaires associés à des systèmes de concentration linéaire lorsqu’ils fonctionnent à moyenne température (> 100°C). Des nouveaux collecteurs solaires volumiques sont à l’étude permettant de réduire les pertes thermiques et augmenter le rendement global. Parmi ces solutions innovantes les collecteurs à absorption directe (DASC) présentent plusieurs avantages. Ces collecteurs solaires thermiques utilisent un nanofluide (fluide avec des nanoparticules en suspension) comme milieu absorbant.

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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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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