Etudes numériques et expérimentales d’un éjecteur conçu pour un cycle de production de froid ou de chaleur

L'éjecteur a fait l'objet de recherches dans la littérature comme composant principal des cycles de réfrigération utilisant la « compression thermique » grâce à sa simplicité sans pièces mobiles. Il utilise un fluide haute pression appelé « fluide primaire » pour entraîner et comprimer un fluide basse pression, appelé « fluide secondaire ». Les performances de l'éjecteur sont définies par le taux d'entraînement, qui est le rapport débit massique entre les flux secondaire et primaire ; ainsi que la pression critique, qui limite la plage de fonctionnement de l'éjecteur. La plupart des études numériques et expérimentales ont été menées sur des éjecteurs de vapeur d'eau. Les études ont montré que l'optimisation de la géométrie est cruciale pour améliorer les performances de l'éjecteur. De plus, des expériences ont montré que l’écoulement à l’intérieur d’un éjecteur est souvent supersonique et hautement compressible induisant ainsi de fortes variations de pression. Cela peut induire de fortes variations de température et l'apparition d'eau liquide et de glace dans les éjecteurs a déjà été observée.

Des études numériques réalisées précédemment ont montré l'importance de modéliser avec précision les changements de phase liquide-vapeur afin d'établir des modèles numériques cohérents et précis de l'hydrodynamique des écoulements au sein de l'éjecteur. Cependant, ces études accordent peu ou pas de considération à la répartition du champ de température au sein de l'éjecteur. La principale difficulté ici réside dans les énormes variations de pression qui se produisent à l’intérieur de l’éjecteur, qui conduisent à des changements de phase liquide-vapeur dans un écoulement hautement compressible. Dans ce projet de thèse, nous visons à étudier des solutions innovantes avec éjecteur intégré dans des cycles thermodynamiques travaillant avec des fluides naturels (ammoniac, eau, CO2 …) afin d'améliorer les performances globales. Pour cela, il est important de comprendre les phénomènes physiques locaux des écoulements à l'intérieur d'un éjecteur, notamment l'impact du changement de phase liquide-vapeur ainsi que l'impact des conditions opératoires.

En nous appuyant sur le solide bagage de recherche du CEA et de l'INSA Lyon, nous mènerons des travaux numériques et expérimentaux sur l'éjecteur et les cycles thermodynamiques avec le plan de recherche suivant :
Travail numérique :
_ Développement d'un modèle 1D et réalisation des simulations CFD pour comparaison
_ Modélisation et simulations des cycles thermodynamiques identifiés intégrés à l'éjecteur approprié
_ Conception d'éjecteur pour tests
Travail expérimental : fabrication d'un éjecteur de test et réalisation de mesures pour la validation et l'analyse du modèle

Depuis plus de 15 ans, le CEA mène des recherches approfondies sur les cycles thermodynamiques afin de développer des solutions innovantes pour la production de chaleur, de froid et d'électricité. Récemment, nous avons développé un nouveau modèle d'éjecteur destiné à être intégré dans un cycle thermodynamique. Pour investiguer des phénomènes locaux ayant lieu dans les écoulements à l'intérieur d'un éjecteur en considérant la phase liquide-vapeur, nous avons étudié et réalisé des simulations CFD. L'INSA Lyon dispose d'une solide expérience de recherche sur les thématiques liées au CO2 telles que les cycles de pompes à chaleur, les échangeurs de chaleur ainsi que les éjecteurs. Le banc d'essais d'éjecteur de l'INSA Lyon ainsi que la plateforme INES du CEA serviront aux travaux expérimentaux de ce projet.

Etude et compréhension des mécanismes de thermo-conversion et dépolymérisation de déchets plastiques en conditions d’eau supercritique

La valorisation de déchets carbonés est un sujet d’actualité qui génère un grand intérêt dans la Economie circulaire du carbone. Des efforts substantiels ont été consacrés à renforcer les procédés durables ces dernières années. Ils reposent sur le développement des systèmes pour améliorer la circularité du carbone (recyclage de la matière et énergie).
La production mondiale de plastiques a doublé de 230 millions de tonnes en 2000 à 460 millions de tonnes en 2019. Cette production/consommation exponentielle a des conséquences importantes sur l’environnement. Malgré l'existence de méthodes de recyclage, seulement 9% de la production mondiale des plastiques est recyclé actuellement, et la quantité restante (pas valorisée) représente une véritable source de pollution [1].
Les mélanges de différents types de plastiques rendent difficile les étapes de tri, ce qui représente le principal inconvénient pour les systèmes de recyclage matière. Une application intéressante récemment rapportée dans la littérature est l’utilisation du procédé de gazéification hydrothermale pour traiter les rejets et mélanges des plastiques difficiles à trier pour produire un gaz riche en CH4 et H2 [2]. La gazéification hydrothermale (HTG) est un processus thermochimique qui utilise les conditions supercritiques de l'eau (T > 374 °C, P >221 bar), afin de convertir le carbone organique contenu dans la matière en une phase gazeuse (qui contient principalement CH4, H2, et CO2). En outre, la flexibilité du procédé permet aussi l’étude de dépolymérisation de ces déchets en conditions proche du point critique de l’eau, ce qui facilite l’obtention de molécules d’intérêt pour l’industrie chimique et leur réutilisation.
Ainsi, l’étude et compréhension des mécanismes de conversion de différents types de plastiques (et leurs mélanges) dans ce processus semble essential pour valoriser ces déchets. L’identification des voies réactionnelles est cependant toujours un verrou scientifique majeur. L’objectif de la thèse est l’étude des mécanismes réactionnels de transformation des charges modèles de plastiques et leurs mélanges en conditions d’eau supercritique. La compréhension des phénomènes pourra conduire à l’optimisation du procédé HTG (avec et sans catalyseurs) pour faciliter la production d’un gaz riche en CH4/H2 et l’obtention d’intermédiaires pour l’industrie chimique. Ce travail concerne la poursuite des recherches sur : i) l’étude de thermo-conversion et dépolymérisation des plastiques ; ii) l’étude du comportement des catalyseurs dans le milieu supercritique (activation/désactivation); iii) l’étude de la sélectivité vers la production d’un gaz contenant du CH4/H2 et d’intermédiaires.

Comprendre l’impact des conditions opératoires et des profils d’utilisation sur la durée de vie des empilements pour l’électrolyse à haute température

L’évolution souhaitée de l'Union européenne (UE) vers une économie à faible émission de carbone soulève les défis d'intégration à grande échelle des énergies renouvelables et de réduction des émissions de CO2 des industries lourdes. Dans ce contexte, l'hydrogène produit à partir d'énergie renouvelable contribuera à décarboner ces industries, en tant que matière première/carburant/stockage d'énergie. Parmi les différentes technologies de production d'hydrogène à faible empreinte carbone, l'électrolyse à haute température (EHT) permet de produire de l'hydrogène vert avec une efficacité extrêmement élevée. Les cellules à oxyde solide (SOC) sont généralement exploitées à des températures comprises entre 650 et 850 °C, et agencées en empilements ou stacks afin d'augmenter la densité de puissance globale et ainsi répondre aux besoins des marchés (pré)industriels.
La technologie est récemment entrée dans une phase d'industrialisation agressive. Cependant, des efforts considérables sont encore nécessaires pour transformer les rendements élevés en un coût actualisé de l’H2 compétitif. Tant que ce coût restera largement contrôlé par celui de la fabrication des stacks, leur dégradation, et sa dépendance aux conditions d'exploitation, restera un sujet crucial de recherche et de développement. De plus, des avancées récentes ont montré que pour évaluer correctement la durée de vie des stacks, il est essentiel de procéder à des tests sur des durées supérieures à 5000 h. Une meilleure compréhension de la dégradation sur la plage temporelle allant de 5000 à 10000 h pourrait donc à la fois permettre de mettre au point des protocoles de tests accélérés (AST) pour réduire la durée des tests représentatifs, mais aussi d’optimiser les stratégies opérationnelles pour prolonger la durée de vie des objets.

Planification du déploiement d’infrastructures énergétiques à l’échelle d’un territoire : Approche d’optimisation économique et environnementale

Le contexte général est celui de la « Conception et optimisation de systèmes énergétiques multi-vecteurs à l’échelle territoriale »
Plus précisément, il s’agit de développer les nouvelles méthodes permettant d’étudier les trajectoires de réduction d’impact environnemental global (ACV sous-jacente) d’un territoire en maîtrisant les coûts dans divers cas d’applications, par exemple :
• Opportunité de développer des infrastructures (par exemple réseau H2, ou réseau de chaleur) pour permettre la décarbonation, en développant les usages là où ces infrastructures existent ou existeront, tout en réduisant l’impact environnemental global pour des usages donnés.
• Impact, sur ces études, d’une centralisation ou décentralisation de moyens de production et de consommation,
• Prise en compte de l’évolution temporelle des investissements avec le compromis de rénover / remplacer, à un instant donné, des installations dans une optique de réduction de l’impact environnemental global pour des usages donnés.
Des cas d'applications possibles d'infrastructures hydrogène sont en cours ou identifiés.

Compréhension des mécanismes de soudage diffusion d’un alliage de titane biphasée a+ß

Dans le cadre d'un projet nucléaire à courte échéance, le CEA/LITEN supporte les activités de fabrication d’un générateur de vapeur en alliage de titane par CIC (Compression Isostatique à Chaud). Selon son histoire thermique et/ou thermomécanique, l’alliage de titane, Ta6V, présente des phases en proportion, compositions chimiques et structures cristallographiques différentes.
Comment se passe le soudage diffusion entre deux phases différentes ? Y en a-t'il une qui arrive à mieux franchir l'interface et si oui, pourquoi ? Quels paramètres de CIC ont une réelle influence ? Quelle microstructure de départ permet un soudage optimal ?
Ce sont les questions auxquelles cette thèse propose de réponse.

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