Le solaire concentration permet d’obtenir des températures comprises entre 500 et 2500°C, domaine parfaitement adapté à la synthèse de matériaux. Cette dernière application a été largement explorée depuis de nombreuses années en particulier pour l’obtention de nanomatériaux tels que ZrO2, Al2O3, fullerènes, nanotubes de carbone, etc [1,2]. Peu de travaux concernent la métallurgie et la purification de matériaux. Des essais de validation de concept ont été réalisés dans le but de purifier le silicium mais n’ont pas été poursuivis [3].
Pourtant le recyclage et la purification des matériaux constituent une niche potentielle d’application du solaire à concentration (d’ailleurs identifiée par Félix Trombe il y a des décennies) que ce stage se propose d’explorer.
Le stage sera structuré selon les phases suivantes :
Etude bibliographique sur les procédés de recyclage et identification des éléments présentant le potentiel le plus grand.
Essais préliminaires avec des matériaux modèles.
Dimensionnement d’une installation solaire.
Bibliographie
[1] C. Monty, “Nanopowders prepared by Solar Physical Vapor Deposition (SPVD),” Journal of New Technology and Materials, vol. 1, pp. 8–23, 2015
[2] G. Flamant, D. Luxembourg, J. Robert, and D. Laplaze, “Optimizing fullerene synthesis in a 50 kW solar reactor,” Solar Energy, vol. 77, no. 1, pp. 73–80, 2004
[3] Flamant G., Kurtcuoglu V., Murray J., Steinfeld A. Solar purification of metallurgical grade silicon. Solar Energy Materials and Solar Cells, (2006), 90, pp. 2099-2106
Encadrants : Gilles Flamant, Samuel Mer, Adrien Toutant
Gratification : ~600€/mois
Présentation du sujet :
Dans le contexte énergétique actuel, le développement et l’optimisation des procédés de conversion des énergies renouvelables suscite de plus en plus d’attention. Les technologies solaires concentrés (CSP) s’inscrivent dans ces procédés propres de génération d’énergie. Cette technique consiste à concentrer les rayons du soleil à l’aide de miroirs (héliostats) sur un récepteur pour produire de la chaleur. Celle-ci est transférée par un fluide caloporteur vers un échangeur de chaleur qui transmet l’énergie à un fluide de travail couplé à un cycle thermodynamique transformant la chaleur en électricité. Le rendement de conversion du cycle augmente avec la température de la source chaude. Actuellement, les sels fondus utilisés comme fluide de transfert offrent une température de source chaude de 550°C et un rendement de conversion de 42%.
Dans ce contexte, le laboratoire PROMES développe des recherches visant à augmenter ce rendement de conversion de 42 à 50 % via l’utilisation de cycles combinés, associant une turbine à gaz avec une turbine à vapeur ou de cycles supercritiques. Le cycle amont nécessite une température de source chaude de 700 à 800°C environ ne pouvant être atteinte avec les fluides caloporteurs actuels. La solution envisagée pour atteindre ces températures est d’utiliser comme fluide caloporteur des particules fluidisées par de l’air. La faisabilité de cette technique, qui offre également une solution pour le stockage thermique massif de l’énergie, a déjà été démontrée et plusieurs projets ont permis de mettre en place une base de données expérimentales concernant les écoulements de lits fluidisés tant en conditions de température ambiante que sous irradiation solaire concentrée.
En particulier, des essais à grande échelle (40 tubes soumis au rayonnement solaire concentré) ont révélé l’existence de passages préférentiels des particules dans certains tubes qui pourraient être liés à des variations de la vitesse du gaz dues à des écarts de température. Le but du stage est de valider cette hypothèse à l’aide d’expérimentations à l’échelle laboratoire et de proposer des solutions pour éviter que le système évolue vers l’arrêt de la circulation du solide dans certains tubes et donc à leur surchauffe. Il s’agit donc d’étudier comment une perturbation imposée sur un tube se propage aux tubes adjacents.
La maquette qui sera utilisée a été construite au laboratoire PROMES (Grand Four Solaire d’Odeillo) afin d’étudier la structure des écoulements de particules fluidisées dans des tubes à forts ratios hauteur/diamètre, à température ambiante dans un premier temps. Les particules sont fluidisées dans un caisson, appelé « dispenser » qui est mis sous pression grâce à une vanne de régulation. Dans ce caisson sont immergés un ou plusieurs tubes de 3m68 de longueur, ayant chacun une injection d’air secondaire (aération) afin de faire varier la vitesse de l’air au sein des tubes et ainsi changer le régime de fluidisation et la fraction volumique des particules. La régulation du débit de particules en sortie d’un tube est réalisée grâce à la pression imposée dans le dispenser et au débit d’aération. La compréhension de la physique des écoulements dans un tube est maintenant bien acquise mais il est désormais nécessaire de comprendre le comportement du système avec 3 tubes dont l’un est soumis à une variation de débit d’aération.
Plan 3D (gauche) et schéma du principe de fonctionnement (droite) du banc expérimental
L’étudiant.e devra travailler sur les points suivants :
Etude bibliographique sur les systèmes multitubulaires,
Montage et instrumentation du banc expérimental avec trois tubes,
Réalisation d’expériences sur le banc expérimental : variation des débits de particules suite à une perturbation de la vitesse d’aération imposée au tube central.
Exploitation et interprétation des résultats.
Ce stage s’inscrit dans les travaux de thèse de Ronny Gueguen et de Guillaume Sahuquet.
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).
Ce rendement peut théoriquement être augmenté en :
favorisant l’extraction de porteurs photogénérés grâce à une jonction métal/semiconducteur (Shottky) ou semiconducteur_1/semiconducteur_2 (hétérojonction).
amplifiant l’absorption du système sur une certaine plage spectrale grâce aux propriétés des empilements multicouches.
Le travail que nous proposons est à la fois théorique et expérimental :
Il s’agit d’étudier le comportement optique de multi couches à base d’empilements Au/TiO2 et ZnO/TiO2 etde réaliser par PVD RF magnetron les empilements les plus pertinents. Ces empilements devront ensuite être testés en photocatalyse.
Travail à effectuer
Etude théorique d’empilement Au/TiO2 et ZnO/TiO2,
Conditions de dépôts de TiO2 et de ZnO cristallins
Dépôt de TiO2 et/ou de ZnO sur du verre par PVD RF magnétron
Dépôt d’empilementAu/TiO2 et ZnO/TiO2
Tests des échantillons
Profil adéquat
Le candidat devra afficher des compétences en physique du solide et des compétences pluridisciplinaires en métrologie et en matériaux. Un goût pour le travail expérimental et des acquis en modélisation sont requis.
Le projet IMPROVEMENT (Integration of combined cooling, heating and power microgrids in zero-energy public buildings under high power quality and continuity of service requirements) est lauréat du troisième appel à projets Interreg Sudoe (https://tinyurl.com/ya5vrtyp). Le projet est coordonné par le CNH2 (Centro Nacional del Hidrógeno), situé à Puertollano, en Espagne, et implique, entre autres laboratoires de recherche et partenaires institutionnels, le laboratoire PROMES-CNRS (une unité propre de recherche du CNRS conventionnée avec l’UPVD).
Les missions confiées à l’ingénieur-e de recherche portent sur le développement d’un système avancé de gestion de l’énergie (ou BEMS, pour building energy management system) destiné aux bâtiments publics faisant face à des charges critiques pour la gestion prédictive de l’énergie thermique et du confort thermique des usagers. Le BEMS sera fondé sur une structure de commande prédictive (ou structure MPC, pour model-based predictive control) hiérarchisée à deux niveaux. La structure MPC de niveau bas définira les consignes des systèmes de CVC (chauffage, ventilation et climatisation) et pilotera le confort thermique des usagers. Les prédictions de la consommation énergétique seront transmises à la structure MPC de niveau haut pour la gestion du système de stockage thermique, conformément aux besoins des usagers en matière de chauffage et de climatisation, et pour le stockage des surcharges du micro-réseau électrique, par la transformation de l’énergie électrique en énergie thermique. En retour, la structure MPC de niveau haut transmettra au micro-réseau sa prévision de consommation électrique. Deux bâtiments pilotes, l’un à Lisbonne au Portugal (laboratoire LNEG), l’autre à Puertollano en Espagne (laboratoire CNH2), permettront la mise en œuvre du système de gestion de l’énergie développé.
La mise en œuvre de la stratégie décrite ci-avant requiert des prévisions, à horizon de temps infra-journalier, de grandeurs (présence des usagers, ensoleillement, température extérieure, etc.) influant sur la dynamique du système. Des algorithmes pour la prévision de séries temporelles – les outils de l’apprentissage automatique/profond seront mis à profit – seront développés par l’ingénieur-e de recherche.
Objectif
L’objectif du projet est le développement d’outils pour la conversion de bâtiments publics faisant face à des charges critiques en bâtiments à très basse consommation énergétique par l’intégration de micro-réseaux pour la génération combinée de chaud, de froid et d’électricité. Ces micro-réseaux sont équipés de systèmes de stockage hybrides et devront contribuer à la continuité des services. Plus précisément, IMPROVEMENT vise à :
améliorer l’efficacité thermique des bâtiments publics par la production de chaud et de froid par voie solaire et l’intégration de solutions techniques actives et passives ;
améliorer la qualité et la fiabilité de l’alimentation électrique par le développement d’un système de gestion des micro-réseaux résilient aux pannes ;
maximiser la consommation d’énergie renouvelable par l’intégration d’un système avancé de gestion de l’énergie, exploitant les systèmes de stockage hybrides équipant les micro-réseaux.
Deux bâtiments pilotes, l’un à Lisbonne au Portugal (laboratoire LNEG), l’autre à Puertollano en Espagne (laboratoire CNH2), permettront la mise en œuvre du système avancé de gestion de l’énergie. Le premier bâtiment est équipé d’une pompe à chaleur géothermique et d’une pompe à chaleur classique ainsi que de systèmes de stockage hydrothermiques qui, par ailleurs, échangent de l’énergie thermique avec les systèmes de production et de consommation d’hydrogène du micro-réseau, le tout alimentant les systèmes de CVC (chauffage, ventilation et climatisation) et d’eau chaude sanitaire du bâtiment. Le deuxième bâtiment est équipé de collecteurs solaires thermiques, de collecteurs thermo-photovoltaïques (PVT), de pompes à chaleur et d’un système de stockage hydrothermique, le tout alimentant les systèmes de CVC et d’eau chaude sanitaire.
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.
Ce procédé combine un procédé à sorption thermochimique), qui assure la production de froid et la fonction de stockage et un organe de détente pour la production d’électricité (fig. 1). Le procédé thermochimique, bien connu au laboratoire, permet de produire les effets endo ou exothermiques grâce à un changement d’état liquide/gaz dans une évaporateur/condenseur et une réaction chimique solide/gaz dans un réacteur thermochimique. L’organe de détente utilise les flux de gaz entre ces composants pour générer un travail mécanique.
Figure 1. Représentation schématique d’un procédé thermochimique hybride multifonctionnel incluant un organe de détente (expander)
L’originalité d’un tel procédé appelé ‘hybride’ se situe dans l’architectures du procédé global et dans les couplages entre composants, ces composants étant eux –mêmes relativement bien connus.
Les verrous scientifiques se situent ainsi dans la compréhension et le contrôle des interactions entre les composants (spécifiquement l’organe de détente et le réacteur), l’adéquation de leurs modes opératoires, et l’optimisation des performances du procédé hybride global.
Actuellement, les travaux du laboratoire ont permis d’analyser leurs performances thermodynamiques de plusieurs architectures de cycles hybrides en régime stationnaire. Un modèle dynamique a été développé pour analyser le comportement de ce système au cours des cycles de stockage et de déstockage. Enfin, un prototype a été défini, et est en cours de montage, afin d’analyser expérimentalement ce concept de cycle hybride.
Pour approfondir ces travaux, il est maintenant indispensable de réaliser des expérimentations sur le prototype dans différentes conditions opératoires, de confronter notre modèle dynamique à cette expérimentation, d’analyser le fonctionnement et les performances de ces cycles hybrides et d’envisager des voies d’optimisation.
Le stage de master II proposé s’inscrit dans ce programme global, et sera plus particulièrement focalisé sur l’analyse et les performances de l’organe de détente.
Programme du stage :
ce stage débutera classiquement par une phase d’apprentissage des acquis du laboratoire sur ces systèmes hybrides.
Expérimentations : En étroite collaboration avec l’équipe du projet, le ou la stagiaire participera aux campagnes expérimentales, avec une attention particulière aux conditions de fonctionnement de l’organe de détente.
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, en particulier la partie relative à l’organe de détente, et identifiera les paramètres caractéristiques. Des modèles plus complets d’organes de détente disponibles dans la littérature seront 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.
Voies d’optimisation : L’organe de détente (scroll) utilisé dans le prototype a été choisi sur des critères de disponibilité et de simplicité expérimentale. A partir des connaissances précédentes à la foi expérimentales et numériques l’objectif est de discuter des voies d’optimisations du cycle hybride (mode de contrôle, autres technologies d’organe de détente).
Profil du/de la candidat(e) : Niveau BAC+5 (Master ou Ingénieur). Le ou la candidat(e) devra avoir une solide formation en énergétique (thermodynamique appliquée, transferts). Un attrait à la fois pour les aspects numériques et expérimentaux est nécessaire. Une connaissance du langage de programmation Python sera appréciée.
Conditions du stage :
Localisation : Laboratoire PROMES – Site de Perpignan.
Démarrage : Janvier/Février 2022, sous la gratification forfaitaire en vigueur (≈ 590 €/mois)
Candidature : Les lettres de candidature devront être accompagnées d’un CV et adressées à Maxime Perier-Muzet et Nathalie Mazet
Références sur les cycles hybrides
Wang L, Ziegler F, Roskilly A.P, Wang R, Wang Y, A resorption cycle for the cogeneration of electricity and refrigeration, Applied Energy 2013 ;106
Godefroy A, Perier-Muzet M, Neveu P, Mazet N. Hybrid thermochemical cycles for low-grade heat storage and conversion into cold and/or power, Energy Conversion and Management 2020;255
Mots-clés de la thèse : mécanique des fluides, méthodes numériques, écoulement turbulent anisotherme, simulation numérique directe, simulation des grandes échelles, apprentissage automatique, intelligence artificielle
Encadrement de la thèse Adrien TOUTANT – 04 68 68 27 09 – – HDR obtenu en 2013 Françoise BATAILLE – 04 68 68 22 32 – – HDR obtenu en 2000 Lionel MATHELIN – Onofrio SEMERARO –
Contexte Le contexte de la thèse est le développement des centrales solaires à tour de prochaine génération. On se concentre sur le composant clé des centrales : le récepteur solaire à haute température et haut flux. Une des possibilités est d’utiliser au sein du récepteur solaire un mélange gaz pressurisé comme fluide de transfert. La maîtrise des écoulements turbulents fortement anisothermes est alors un verrou scientifique pour le développement de ces centrales solaires à tour. En effet, les couplages entre la turbulence et la thermique rendent la physique particulièrement complexe. Cette thèse vise à en améliorer la compréhension et la modélisation.
Objectifs Les objectifs de ce projet de thèse sont les suivants (ils sont présentés par ordre chronologique) :
Réalisation de simulations numériques directes d’écoulements turbulents fortement anisothermes
Développement de modèles de type simulation des grandes échelles en utilisant les outils d’apprentissage automatique (deep learning)
Méthode En simulation numérique directe (SND), la bonne prise en compte du couplage vitesse/température et la résolution de toutes les échelles de la turbulence nécessite des maillages extrêmement fins. Ces simulations sont donc limitées à des cas de calculs académiques avec des tailles modestes de domaine et des géométries simples. Pour réaliser des simulations se rapprochant davantage des applications, il est indispensable de réduire le coût des SND en introduisant des modèles sous-maille (cf. figure). A notre connaissance, il existe peu de modèle pour les termes sous-maille spécifiques aux écoulements fortement anisothermes (Dupuy et al. 2019 ; David et al. 2021). Le travail de modélisation consiste donc à adapter les modèles existants pour le tenseur de Reynolds et à développer de nouveaux modèles pour les termes spécifiques. Pour ces derniers, nous proposons d’adapter les modèles structurels qui utilisent des méthodes de déconvolution comme le modèle gradient ou le modèle de similarité d’échelles.
Pour développer un modèle de type simulation des grandes échelles SGE pour les écoulements très fortement anisothermes, le doctorant constituera une base de données étendue de SND. A partir de cette base de données, des techniques d’apprentissage automatique (machine learning, deep learning) seront mises en œuvre pour déterminer un modèle mathématique décrivant l’effet des petites échelles (non résolues) sur les plus grandes. Plus précisément, différentes architectures de réseaux de neurones (réseaux convolutionnels, réseaux à graphes, etc.) et de fonctions objectifs seront évaluées pour inférer le meilleur modèle possible. Une attention particulière sera portée à la robustesse du modèle appris vis-à-vis de la résolution du maillage et du régime de l’écoulement. Les modèles développés devront permettre de calculer avec précision les échanges thermiques fluide/paroi.
Profil recherché Le doctorant aura une bonne formation en mécanique des fluides et en simulation numérique. Des compétences en apprentissage automatique (machine learning), mathématiques appliquées et programmation (C++, python, pytorch) seront très appréciées.
Environnement La thèse se déroulera principalement au laboratoire PROMES (Perpignan) et inclura quelques séjours au LISN (Saclay).
Références David M., Toutant A., Bataille F., Investigation of Thermal Large-Eddy Simulation approaches in a highly turbulent channel flow submitted to strong asymmetric heating, Physics of Fluids, vol. 33(4), 045104, 2021. Dupuy D., Toutant A., Bataille F., Study of the large-eddy simulation subgrid terms of a low Mach number anisothermal channel flow, International Journal of Thermal Sciences, vol. 135, p. 221-234, 2019.
Le laboratoire PROMES est une Unité Propre de Recherche du CNRS rattachée à l’Institut des Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes (INSIS) qui développe des recherches dans le domaine du solaire et, en particulier, du solaire à concentration. Il dispose d’installations solaires de recherche uniques au monde en termes de facteur de concentration et de puissance. La mission de PROMES est de contribuer à la lutte contre le changement climatique en proposant des nouvelles solutions de conversion et d’utilisation de l’énergie solaire. Les domaines d’applications concernés sont : la production de chaleur, de froid, d’eau douce, d’électricité ou de combustibles renouvelables, ainsi que les matériaux associés. La problématique du stockage de l’énergie solaire est centrale dans ces applications.
– Thèmes proposés – Les candidatures dans les domaines suivants seront examinées : 1. Systèmes de conversion d’énergie solaire concentrée en vecteurs énergétiques 2. Matériaux par et pour les hautes températures 3. Stockage à haute température Les sciences de base concernées sont nombreuses, on peut citer, la physique des nano-objets, les transferts par rayonnement (thermique), la dynamique des fluides en situation anisotherme, la thermochimie, les plasmas, la science des matériaux…
– Candidature – Dans le but de développer des nouveaux projets de recherche dans les thèmes précédents, PROMES soutiendra des projets originaux de candidat.es à un post-doctorat de 12 mois (la durée peut être inférieure). Les projets devront intégrer un volet de mise en œuvre des installations à concentration du site d’Odeillo-Font Romeu ou une étroite collaboration avec les expérimentateurs et expérimentatrices. Les candidat.es seront sélectionné.es par le Conseil Scientifique du laboratoire en deux étapes, sur dossier puis sur audition.
– Contact – Françoise Bataille, Directrice du laboratoire PROMES francoise.bataille_at_promes.cnrs.fr
Appel à candidature à un poste de Chercheur au CNRS – Section 10 –
Le laboratoire PROMES est une Unité Propre de Recherche du CNRS rattachée à l’Institut des Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes (INSIS) qui développe des recherches dans le domaine du solaire et, en particulier, du solaire à concentration. Il dispose d’installations solaires de recherche uniques au monde en termes de facteur de concentration et de puissance. La mission de PROMES est de contribuer à la lutte contre le changement climatique en proposant des nouvelles solutions de conversion et d’utilisation de l’énergie solaire. Les domaines d’applications concernés sont : la production de chaleur, de froid, d’eau douce, d’électricité ou de combustibles renouvelables, ainsi que les matériaux associés. La problématique du stockage de l’énergie solaire est centrale dans ces applications.
– Thèmes proposés – Les candidatures dans les domaines suivants seront examinées : 1. Systèmes de conversion d’énergie solaire concentrée en vecteurs énergétiques 2. Matériaux par et pour les hautes températures 3. Stockage à haute température Les sciences de base concernées sont nombreuses, on peut citer, la physique des nano-objets, les transferts par rayonnement (thermique), la dynamique des fluides en situation anisotherme, la thermochimie, les plasmas, la science des matériaux… – Candidature – Dans le but de développer de nouveaux projets de recherche dans les thèmes précédents, PROMES soutiendra des projets originaux issus de candidat.es motivé.es par les objectifs du laboratoire. Les projets devront intégrer un volet de mise en œuvre des installations à concentration du site d’Odeillo-Font Romeu ou une étroite collaboration avec les expérimentateurs et expérimentatrices. Les projets sélectionnés seront proposés pour candidater au concours organisé au plan national par le CNRS annuellement (dépôt des dossiers en début d’année).
– Contact – Françoise Bataille, Directrice du laboratoire PROMES francoise.bataille_at_promes.cnrs.fr
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