Operation et Maintenance assistée par l'IA des systèmes solaires hybrides pour procédés industriels

Les procédés industriels utilisent de la chaleur dans la plage de température 50-1500°C et la chaleur représente environ 70% de la consommation d'énergie dans l'industrie. La consommation de chaleur dans l'industrie est généralement classée en trois domaines de température : basse (400°C), pouvant être adressés par différentes technologies de capteurs solaires. Les technologies solaires à concentration sont nécessaires lorsqu’il s’agit de produire de la chaleur solaire à T>150°C. La question centrale de l'intégration de la chaleur solaire dans les procédés industriels est abordée dans le projet SHIP4D (Programme PEPR SPLEEN). Dans le cadre de cette thèse, le travail portera sur le développement d'outils d'exploitation et de maintenance basés sur l'IA et appliqués aux systèmes solaires hybrides pour procédés industriels. Les travaux de thèse serviront également de base pour le projet européen INDHEAP (Optimal Solar Systems for Industrial Heat and Power), coordonné par le CEA, et démarré en janvier 2024.

Control Optimal des systèmes solaires hybrides pour procédés industriels basé sur les methodes MPC et IA

Les procédés industriels utilisent de la chaleur dans la plage de température 50-1500°C et la chaleur représente environ 70% de la consommation d'énergie dans l'industrie. La consommation de chaleur dans l'industrie est généralement classée en trois domaines de température : basse (400°C) correspondant aux différentes technologies solaires. Les technologies solaires à concentration sont nécessaires lorsqu’il s’agit de produire de la chaleur solaire à T>150°C. La question centrale de l'intégration de la chaleur solaire dans les procédés industriels est abordée dans le projet SHIP4D (Programme PEPR SPLEEN). Dans le cadre de cette thèse, le travail portera sur le contrôle optimal de haut niveau des systèmes solaires hybrides de production de chaleur et d'électricité pour les procédés industriels. Les outils de contrôle seront développés dans PEGASE, et appliqués à un simulateur de la centrale de LACTOSOL fourni par NEWHEAT. Les travaux de thèse serviront également de base pour le projet européen INDHEAP (Optimal Solar Systems for Industrial Heat and Power), coordonné par le CEA, et démarré en janvier 2024.

Etude expérimentale et modélisation thermique d’un prototype de stockage de chaleur et de froid par couplage de technologies thermocline et Matériau à Changement de Phase

La production de chaleur et de froid représente plus de 50% de la consommation finale d’énergie en France, dont 28% pour l’habitat individuel et collectif, et a été identifiée, dans le cadre de la loi sur la transition énergétique (TECV), comme une source potentielle majeure de réduction d’émission de CO2. Le développement de réseaux de chaleur intelligents (Smart-Grid thermiques) a pour objectif d’améliorer l’efficacité énergétique des réseaux de chaleur et de froid, ainsi que leur capacité d’intégration d’ENR&R. L’une des briques technologiques essentielles de ces réseaux intelligents est le stockage thermique, stockage de chaleur l’hiver et stockage de froid l’été.
Le prototype objet de la thèse proposée s’inscrit dans les activités du CEA sur le stockage pour les réseaux de chaleur urbains. Le concept étudié propose de coupler au sein du même composant les fonctions de stockage de chaleur et de stockage de froid, pour obtenir des gains à la fois de compacité et de coût. Technologiquement, le stockage de froid est basé sur le changement de phase eau-glace autour de tubes spiralés ailettés alimentés en eau glycolée à -6°C. Le déstockage du froid se fait par contact direct entre l’eau du circuit de climatisation et la glace prise autour des tubes ailettés (contact direct = l’eau passe directement au travers de la glace sans paroi d’échange entre l’eau et la glace). Le stockage de chaud est basé sur le principe de thermocline avec comme fluide de stockage la même eau que celle qui prend en glace pour le stockage de froid (avec des températures de l’ordre de 60-70°C).

Méthodes pour réduire l'impact des incertitudes dans l'optimisation des systèmes énergétiques bas-carbone locaux

Les modèles d'optimisation des systèmes énergétiques (ESOM pour Energy System Optimization Models en anglais) sont des outils puissants pour améliorer la prise de décision dans la transition vers des systèmes énergétiques bas carbone.

Les résultats fournis par les ESOMs sont fortement influencés par les incertitudes sur les données, puisqu'ils sont considérés sur un horizon temporel futur. Par exemple, les évolutions possibles des prix de l'énergie, de la production et de la demande d'énergie ou de l'efficacité des technologies doivent être prise en compte. Bien que de nombreux travaux commencent ces dernières années à étudier l'impact de ces incertitudes sur les résultats, les simplifications de la modélisation peuvent induire des biais significatifs.

Le travail proposé dans ce nouveau sujet de doctorat vise à étudier la réponse d’un ESOM au cours des différentes étapes de conception d’un système énergétique, et à réduire l'impact de ces incertitudes le plus tôt possible dans le processus. On vise en particulier à limiter les biais liés à la simplification des modèles, en propageant systématiquement les informations pertinentes des modèles plus détaillés vers les modèles simplifiés. À cette fin, la voie actuellement envisagée consiste à exploiter des techniques telles que l'apprentissage automatique, et en particulier l'approche de l'apprentissage de contraintes (constraints learning), pour extraire des informations pertinentes de la simulation et les réinjecter dans les modèles d'optimisation simplifiés.

En conséquence, le travail devrait améliorer les méthodes actuellement utilisées pour concevoir et améliorer les systèmes énergétiques au niveau local, afin de favoriser les économies d'énergie et de limiter les émissions de CO2 ainsi que d'autres impacts sur l'environnement.

Aciers austénitiques à haute limite d’élasticité pour le nucléaire : conception numérique et étude expérimentale

La thèse s’inscrit dans un projet qui vise à concevoir de nouvelles chimies d’aciers inoxydables austénitiques pour le nucléaire qui soient spécifiquement adaptées aux conditions vues par la pièce en service et à son mode d’élaboration.
Plus précisément, elle concerne les aciers de boulonnerie obtenus par nitruration contrôlée de poudres ultérieurement densifiées par Compression Isostatique à Chaud. Les nuances actuelles présentent en effet des limitations liées à la corrosion sous contrainte, or la nitruration permet d'augmenter la quantité de chrome, ce qui a un effet bénéfique.
Il s'agit d'abord d'établir un cahier des charges et une liste de critères puis de réaliser une optimisation de composition multicritères par calculs CALPHAD dans le système Fe-Cr-Ni-Mo-X-N-C, afin de sélectionner des compositions prometteuses. On passera ensuite à l'élaboration du matériau: étude et modélisation de la nitruration des poudres, nitruration de lopins et densification, traitements thermiques. Une composition sera alors sélectionnée pour passer à une caractérisation poussée: propriétés mécaniques et mécanismes de déformation associés, comportement en corrosion. On s'attachera en particulier à démontrer l'intérêt de la nouvelle nuance par rapport à la nuance actuelle.

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 CEA développe un logiciel d'optimisation du dimensionnement et du pilotage des systèmes énergétiques, afin de réaliser des études technico-économiques et environnementales des systèmes énergétiques pour des industriels et territoires. Le logiciel calcule grâce à un solveur MILP des dimensionnements et pilotages optimaux.

Il s'agit à présent d'aller plus loin en optimisant le déploiement des infrastructures dans le temps et dans l'espace. En effet, les évolutions de la demande, de l'environnement économique et des performances technologiques sont à prendre en compte dès le début d'un déploiement d'un système énergétique. La dimension spatiale a aussi une importance puisqu'il faut faire un choix entre centraliser des productions pour faire des économies d'échelle, ou répartir les moyens de production sur un territoire et assurer le transport.

La prise en compte de ces nouvelles problématiques plus larges mène à des temps de calcul élevés.

Les objectifs de la thèse seront donc les suivants:
- Établir un formalisme générique pour décrire ce type de problème et le rendre facilement modélisable, en prenant en compte les aspects économiques et environnementaux, et les incertitudes liées.
- Comparer, sélectionner et améliorer un algorithme d'optimisation et des méthodes d’intelligence artificielle permettant de prendre en compte la globalité du problème.
- Appliquer cet algorithme sur des cas concrets d'étude.

Nous recherchons donc un candidat ayant suivi des études en mathématiques appliquées. Il devra être intéressé par les questions de la transition énergétique.

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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