Approche intégrée du traitement des déchets d’une ville : design et optimisation d’un procédé de valorisation multi-déchets pour une production multi-vecteurs
A l’échelle d’une ville, différents déchets (ménagers, composts, boues de station d’épuration, déchets verts, plastiques non recyclés, huiles usagées, métaux, verres, autres) sont produits avec des saisonnalités et des contenus carbone variables au cours du temps. Ces déchets sont aujourd’hui valorisés, et pour certains, incinérés ou enfouis. D’autres voies de valorisation soutenables telles que la pyrogazéification, la gazéification hydrothermale ou la méthanisation peuvent être envisagées.
De nombreuses études scientifiques portent principalement sur la valorisation d’une typologie de déchets [1] [2] [3] [4] ou sur le fonctionnement d’un couple technologies/déchets sans réelle prise en compte de l’intégration territoriale des filières, de la variabilité des gisements et ni d’une évaluation systémique [5]. L’analyse des flux de déchets d’une ville dans son ensemble peut cependant permettre d’identifier des synergies entre différentes typologies de déchets et de valoriser au mieux ces déchets pour réduire les recours aux énergies fossiles [6].
Dans ce contexte, un verrou scientifique majeur réside dans le développement d’une approche intégrée permettant de modéliser, optimiser et évaluer des systèmes multi-déchets et multi-vecteurs à l’échelle territoriale. L’objectif de la thèse est d’étudier la valorisation des déchets d’une agglomération en s’adaptant aux fluctuations saisonnières de la production de déchets, de la typologie des déchets et de la demande locale en énergie (chaleur, électricité, gaz). La thèse prendra en compte le cadre réglementaire (Directive Européenne Déchets, loi AGEC, RED III [7] notamment) et les aspects technico-économiques et environnementaux. Elle s’appuiera sur l’étude d’un à trois territoires représentatifs et visera l’établissement d’une méthodologie d’étude applicable à tous types de territoire.
Propriétés thermodynamiques et structurales des complexes entre cations alcalins et/ou alcalino-terreux, actinyl(VI) avec des carbonates
Les phases solides triscarbonate d’uranyl contenants des cations alcalins (Alc = Na, K) et des alcalino-terreux (Ae = Mg, Ca) sont connus depuis le milieu du XIXème siècle. La mise en évidence des complexes équivalents aux phases en solution Ca-UO2-CO3 n’est intervenue que dans le courant des années 1990. Leur importance est reconnue comme majeure dans certains environnements naturels, depuis les eaux surface jusqu’en milieu de stockage profond de déchets nucléaires. Par calcul de chimie théorique la formation de complexes Alc-Ae-uranyl-CO3 a été proposé mais sans confirmation expérimentale. Ce travail de thèse, en collaboration entre le Laboratoire de développement Analytique, Nucléaire, Isotopique et Élémentaire (DES/ISAS/DRMP/SPC/LANIE) du centre de Saclay, et le Laboratoire des Interactions Ligand Actinide (DES/ISEC/DMRC/SPTC/LILA) du centre de Marcoule, propose de conjuguer les avantages de la fluorescence (ou luminescence) résolue en temps des complexes de l’uranium(VI) – maîtrisée au LANIE – et des méthodes de calculs théoriques et de spectroscopie X – maîtrisées au LILA – pour orienter les expériences de mises en évidence des éventuels complexes Alc-Ae-U(VI)-CO3 en solution.
Le candidat ou la candidate recherchée devra posséder, ou acquérir rapidement, une compétence en chimie des solutions avec une tendance forte sur l’acquisition des constantes de formation et fonctions thermodynamiques, avec connaissance des concepts liés à la correction de force ionique et la théorie de l’interaction spécifique SIT. L’adaptabilité, voire la maîtrise, de différentes techniques spectroscopiques serait un plus indéniable. Le goût du travail en équipe pluridisciplinaire sera indispensable.
Transport et piégeage de l’hydrogène dans les alliages austénitiques : couplage expériences et calculs numériques.
L’hydrogène moléculaire H2 est un vecteur d’énergie alternatif aux énergies fossiles traditionnelles, gaz ou pétrole. Il pourrait répondre aux défis énergétiques et environnementaux actuels, c’est-à-dire au besoin de stockage de l’énergie produite par des moyens intermittents comme l’éolien ou le photovoltaïque ou de l’excès d’énergie produite par la filière nucléaire, sans produire de gaz à effet de serre lors de son utilisation. Néanmoins, son stockage et son transport en toute sécurité est une des clefs de son utilisation. Les conteneurs ou les canalisations qui véhiculent l’hydrogène doivent être étanches et conserver leur intégrité dans le temps. Comprendre et prédire le comportement de l’hydrogène dans les alliages des conteneurs/canalisations et les dégradations mécaniques associées – comme la fragilisation – est dès lors crucial pour le développement de la filière hydrogène.
Si de nombreux travaux expérimentaux ont permis d’identifier la fissuration par hydrogène comme étant à l’origine des dégradations des alliages exposés à l’hydrogène, de larges zones d’ombre subsistent encore sur les mécanismes à l’œuvre du fait de difficultés expérimentales et de la grande variabilité des phénomènes observées. Par ailleurs, le transport et le piégeage de l’hydrogène préalable aux dégradations mécaniques sont mal connus et peu documentés à l’échelle nanométrique.
L’objectif de la thèse est d’explorer les mécanismes de transport / piégeage de l’hydrogène dans les alliages austénitiques, et de sa distribution en volume, en amont de la fissuration pour être capable de rendre compte et d’expliquer les observations expérimentales.
Pour atteindre cet objectif, le travail de thèse sera dédié à l’étude du nickel pur, système modèle des austénitiques. L’étude sera conduite en trois volets : (i) des mesures expérimentales de thermo-désorption seront réalisées sur des matériaux modèles ainsi que (ii) des simulations de dynamique moléculaire en potentiels empiriques à l’échelle atomique, puis (iii) les données obtenues alimenteront des modélisations de cinétique chimique couplée à la loi de Fick à l’échelle mésoscopique permettant d’assurer la transition d’échelle nanoscopique - mésoscopique.
Modelisation de la croissance de CsPbBr3 par CSS
Les pérovskites halogénées au plomb, notamment le CsPbBr3, émergent comme matériaux prometteurs pour la détection X pour les applications médicales. Cette technologie nécessite leur dépôt en couches épaisses (>100 µm) et la sublimation en espace proche (CSS), initialement développée par le CEA-Liten, a montré des résultats très intéressant. Néanmoins, ce procédé reste mal maitrisé à l’échelle microscopique et les liens entre microstructure et performances reste un verrou scientifique et industriel majeur.
Cette thèse, en partenariat avec le laboratoire SIMAP, vise à développer un modèle thermodynamique complet du procédé CSS. Le candidat devra (i) générer expérimentalement les données thermodynamiques indispensables aux modèles, (ii) modéliser les mécanismes de croissance ainsi que (iii) les valider expérimentalement, en s’appuyant sur des fours de croissance instrumentés dédiés et des caractérisations avancées. Des outils de Machine learning seront mis en place pour établir des corrélations prédictives entre paramètres de dépôt et propriétés des couches.
Les résultats permettront d’optimiser la croissance du CsPbBr3 pour des détecteurs X plus sensibles et stables, avec un fort impact en imagerie médicale et offrira des perspectives de publications et brevets dans un domaine très compétitif.
Impact des ultrasons de puissance sur les propriétés d’écoulement de suspensions complexes
L’industrie nucléaire produit des déchets de diverses natures telles que des solides, des liquides mais aussi des « boues » qui sont issues des procédés de traitement des effluents ou aux résidus de fond de cuve ou de fond de piscine d’entreposage. La nature physico-chimique et l’historique de ces boues font qu’elles présentent un comportement à l’écoulement particulier les rendant parfois difficilement manipulables en amont de leur immobilisation en matrice de conditionnement. Afin de fluidifier ces suspensions de compositions variées l’action mécanique des ultrasons de puissance est envisagée. Il a récemment été montré, grâce à un montage couplant les ultrasons de puissance et la rhéologie, qu’il était possible de fortement diminuer le seuil d’écoulement et la viscosité de la boue en appliquant des ultrasons. Il s’agira dans ce travail de thèse de poursuivre les études engagées (Physico-chimie, microstructure, ultrason et rhéologie) sur des boues reconstituées ou sur des suspensions modèles simplifiées en se focalisant plus spécifiquement sur deux aspects. Le premier, plus fondamental, visera une meilleure compréhension de l’interaction entre les ultrasons de puissance et la matière avec une attention particulière portée sur l’origine des effets observés (interfaces vs volume). Le second volet sera plus appliqué avec le développement de dispositifs expérimentaux originaux à plus grande échelle pouvant générer des écoulements plus proches de situations industrielles.Nous recherchons pour ce travail une personne motivée, sérieuse et curieuse. De part le caractère pluridisciplinaire de ce sujet alliant la physique, la physico-chimie et le développement expérimentale, le candidat pourra valoriser ses compétences dans divers secteurs industriels tels que le nucléaire, le génie civil ou encore le domaine de la dépollution.
La thèse se déroulera dans un laboratoire du CEA Marcoule doté d'un environnement scientifique, technique et humain permettant la réalisation des travaux. Des séjours de courte durée sont à prévoir au laboratoire de physique de l’ENS de Lyon. Ce sujet de thèse, alliant une partie de compréhension fondamentale et une partie appliquée, offre des perspectives de carrière variées : soit une poursuite en post-doctorat, soit une carrière dans l’industrie.
Système de stockage de type thermocline et distribution fluidique: de l'expérimental à la réduction de modèle
Le stockage de chaleur de type thermocline (réservoir stratifié) est une solution industrielle pour valoriser la chaleur fatale et intégrer les énergies intermittentes. Pourtant, ses performances restent limitées par des phénomènes mal maîtrisés : distribution fluidique non uniforme, cyclages thermiques partiels et conditions réelles d’exploitation (entrées fluctuantes, cycles incomplets).
La thèse proposée ici fait suite à la thèse d’Alexis Ferré et au post-doctorat de Martin Rudkiewicz concernant la modélisation et la caractérisation des stockages de type thermocline. Ces travaux ont permis de développer et d’éprouver un modèle physique complet (CFD Fluent) permettant d'étudier finement les phénomènes physiques intervenant dans la création puis le transport de la thermocline dans un réservoir de stockage.
Un modèle numérique CFD partiellement validé et une installation expérimentale fonctionnelle seront donc la base de cette thèse, qui a pour but principaux :
• de poursuivre la caractérisation expérimentale du comportement d'un stockage thermocline liquide : l’influence de la distribution (type et dimensionnement du distributeur), du cyclage thermique et des conditions initiales sur les performances du stockage seront étudiés ;
• de valider le modèle physique CFD sur la base des données expérimentales générées ;
• de réaliser une réduction du modèle CFD vers un modèle système complet intégrant la distribution, la cuve et le soutirage ;
• de fournir à la communauté scientifique et industrielle des données actuellement manquantes et pouvant servir d'élément importants pour la validation dans des conditions variées et réalistes.
Développement d’une anode innovante à base de matériaux non critiques et durables pour l’électrolyse à membrane échangeuse d’anions
L’électrolyse de l’eau à membrane échangeuse d’anions (AEMWE) est une technologie récente et prometteuse pour produire de l’hydrogène vert, mais elle rencontre encore des défis majeurs en termes de performance et de durabilité. Actuellement, les anodes des électrolyseurs AEMWE sont constituées de deux couches : une couche poreuse (PTL), qui permet la circulation de l’électrolyte et des gaz, et une couche active, composée de catalyseurs et de liants, où se déroulent les réactions électrochimiques. Cette configuration limite la diffusion des réactifs et réduit la surface active disponible pour les réactions, ce qui impacte négativement les performances globales.
Ce projet de thèse propose de développer une anode innovante, basée sur des matériaux non critiques, en combinant les avantages des deux couches tout en minimisant leurs inconvénients. L’approche proposée consiste à fonctionnaliser la PTL, par l’ajout de nanoparticules catalytiques et/ou par une activation de surface, afin de lui conférer une activité électrochimique. Ces modifications permettront d’améliorer le transport des électrons et des réactifs, tout en augmentant la surface active pour la réaction d’évolution de l’oxygène (OER).
Le travail de cette thèse consistera à fonctionnaliser une PTL préalablement sélectionnée, puis à caractériser les anodes obtenues par des analyses structurales et électrochimiques approfondies. Les résultats attendus dans cette thèse est la réalisation d’une anode optimisée, offrant des performances accrues et une dégradation limitée, ainsi qu’une meilleure compréhension des phénomènes limitants dans les anodes AEMWE. Ce projet s’inscrit dans une démarche de développement de technologies durables, essentielles pour la transition énergétique.
Contribution à l'étude des convertisseurs partiels pour l'hybridation des sources d'énergie
L’un des axes de la réduction de l’empreinte carbone est le domaine du transport notamment le développement de la mobilité électrique actuellement en pleine croissance. Dans ce contexte, le marché du transport électrique hybride est grandissant. Les applications de l’hybridation ont vu leur puissance croitre et avec celle-ci celle des convertisseurs d’électronique de puissance permettant d’adapter les niveaux de tension des sources d’énergie et les échanges d’énergie entre elles. Cette augmentation de puissance s’accompagne de pertes plus élevées à évacuer, entrainant un impact significatif d’abord sur la taille des convertisseurs, donc du système global, puis sur l’efficacité énergétique de toute la chaine. Des efforts ont déjà été réalisés au CEA-LITEN sur le développement de convertisseurs DC-DC à haut rendement (notamment en utilisant les techniques d’entrelacement). La thèse aura pour objectif d’aller plus loin en étudiant les convertisseurs dits partiels ou PPC (Partial Power Converter). Les différentes architectures/topologies seront étudiées pour des applications hybride associant une pile à combustible et une batterie d’une part, et des applications associant 2 batteries (l’une typée puissance et l’autre typée énergie) d’autre part. Les travaux ont pour objectifs de déterminer la ou les meilleures architectures/topologies pour chacune des applications types permettant une réduction significative des tailles des convertisseurs et l’amélioration du rendement de toute la chaine.
Coordination de la flexibilité des convertisseurs d’électronique de puissance raccordés réseau de distribution en vue de participation à la stabilité du système électrique global.
Avec l’augmentation des productions et consommations connectées via des convertisseurs d’électronique de puissance, le réseau électrique évolue vers une structure plus dynamique et décentralisée. Cette transformation accroît le besoin et l’intérêt de leur participation active à la flexibilité et à la stabilité du système, notamment pour compenser les variations de production des énergies renouvelables et assurer un bon équilibre entre l’offre et la demande. La coordination optimisée du contrôle de ces dispositifs présente un fort potentiel pour améliorer la résilience du réseau, en exploitant intelligemment leurs capacités de régulation de tension, de fréquence et de puissance réactive. Toutefois, pour intégrer efficacement ces contributions à grande échelle, il est crucial de développer des approches de modélisation holistique permettant de capturer les interactions multi-échelles, tant spatiales que temporelles. Les travaux de modélisation dans cette thèse visent à représenter le lien entre la flexibilité de réponse en puissance active/réactive des convertisseurs d’électronique de puissance et la marge de stabilité apporté au réseau et aussi l’agrégation de leurs actions en vue d’une contribution au système intégré. Suite à cette étape, des architectures et des algorithmes de contrôle coordonnées entre le réseau de distribution et le réseau de transport seront étudiés, développés et validés.
Étude de l’intensification du transfert de chaleur par ébullition convective dans les micro canaux appliquée au refroidissement des unités de calcul dans les data centers
La thèse proposée vise à mieux comprendre et modéliser, pour de nouveaux fluides réfrigérants à faible impact environnemental, les phénomènes d’ébullition convective en micro canaux.
Le doctorant adoptera une approche combinant expérimentation et modélisation multi-échelle, incluant la conception d’un banc d’essai simulant le comportement d’un micro évaporateur, la réalisation de simulations CFD (ANSYS Fluent, CATHARE) pour décrire les régimes diphasiques, et l’évaluation de différents fluides alternatifs écologiques à faible impact environnemental. Les résultats attendus portent, pour chacun de ces nouveaux fluides, sur la caractérisation des mécanismes d’ébullition confinée, le développement d’un modèle prédictif du transfert de chaleur, et la proposition de solutions de refroidissement innovantes.
En effet, les besoins croissants en calcul intensif, portés par l’intelligence artificielle et le cloud, entraînent une augmentation significative de la puissance dissipée dans les processeurs des puces électroniques. Les technologies de refroidissement monophasique actuelles atteignent leurs limites face à des flux thermiques dépassant 100 W/cm². Le refroidissement diphasique, basé sur l’ébullition d’un fluide pour évacuer la chaleur, est capable d’assurer des transferts de chaleur beaucoup plus efficaces que le refroidissement monophasique, tout en réduisant la consommation énergétique globale. Les résultats de la thèse contribueront à atteindre des solutions plus performantes et durables pour les futurs data centers. Ce travail contribuera à réduire l’empreinte énergétique du numérique et à renforcer la souveraineté technologique européenne dans le domaine des technologies de refroidissement avancées.