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.

Optimisation des Interfaces dans les Piles à Combustibles et Electrolyseurs Haute Température (EHT) par Pulvérisation Cathodique Magnétron

Dans le cadre de la stratégie nationale de développement de l’hydrogène décarboné du Plan France 2030, les Technologies de l’Hydrogène et les Piles à Combustible connaissent actuellement un essor très important tant du point de vue industriel que de la recherche. Parmi les systèmes électrochimiques envisagés, les technologies dites « céramiques » sont très prometteuses. Qu’il s’agisse de piles à combustible Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) ou d’électrolyseurs Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) également appelé High Temperature Steam Electrolysers (HTSE), leur température de fonctionnement élevée leur permet d’atteindre des rendements de conversion importants (Gas to Power et Power to Gas). De plus, ces dispositifs n’utilisent pas de catalyseurs à base de métaux précieux tels que le platine (Pt) ou encore l’oxyde d’iridium (IrO2). Bien que très performantes aux temps courts, les cellules actuelles présentent des caractéristiques de durabilité insuffisantes. En particulier, un taux de dégradation de l’ordre de 0.1%/kheure est visé dans un avenir proche (ce qui peut être estimé à une durée de fonctionnement de l’ordre de 10 ans).
Bien que les propriétés de transfert de charge et de transfert ionique aux interfaces soient très importantes pour garantir un bon comportement électrochimique des cellules, la stabilité des matériaux est également cruciale. A l’heure actuelle, les raisons principales du vieillissement prématuré des cellules sont liées aux réactions parasites entre les matériaux constitutifs et à une certaine instabilité chimique de ceux-ci vis-à-vis des gaz utilisés. Dans le cas des SOFC et SOEC basées sur un électrolyte conducteur O2- en zircone yttriée - Yttria Stabilized Zirconia (YSZ), une couche dite « barrière » est le plus souvent intercalée entre l’électrolyte et l’électrode à oxygène afin d’assurer le bon transfert des ions O2- à travers la cellule mais aussi pour éviter la diffusion de cations issus de l’électrode, et/ou du matériau métallique d’interconnecteur. Il s’agit ici de s’affranchir en particulier de la réaction avec des ions tels que La3+, Sr2+, Fe3+, Co3+ (dans le cas des électrodes de type La1-xSrxFe1-yCoyO3-d) ou autres, ou bien encore les cations Cr3+, Ni2+ en ce qui concerne le métal d’interconnecteur.
Dans ce contexte, des couches barrière en cérine gadoliniée - Cerium Gadolinium Oxide (CGO) - sont fréquemment mises en œuvre. En effet, cet oxyde cristallise dans une structure fluorine comme YSZ ce qui permet d’accommoder les interfaces CGO/YSZ et présente une bonne conductivité ionique de l’oxygène grâce à la présence de lacunes. De plus, ce matériau freine la diffusion des cations vers l’électrolyte. Cependant, la conductivité ionique des phases mixtes Zr1-x-y’-y »YxM’yM’’y »O2-d (avec M ’et M’’ : les cations métalliques) est mal connue. En outre, les paramètres structuraux et microstructuraux de cette couche interfaciale restent à définir pour optimiser cette interface et ainsi qu’augmenter la durée de vie de la cellule : taille de grains, épaisseur, porosité, …
L’objectif de cette thèse sera d’étudier et de développer de nouvelles couches barrières de manière à améliorer leurs performances (stabilité, résistance ionique) et à réduire la quantité d’éléments critiques comme le Gd. La pulvérisation cathodique magnétron, qui permet la réalisation de couches denses sensiblement plus fines que celles obtenues traditionnellement par coulage en bande sera choisi ici comme procédé de synthèse. Cette étude comprendra 4 principaux volets : (i) la synthèse des films par pulvérisation cathodique magnétron, (ii) leur caractérisation physico-chimique et structurale approfondie, (iii) la réalisation des interfaces et des électrodes architecturées et (iv) l’étude de l’influence du revêtement sur le comportement électrochimique de l’électrode à oxygène et l’évolution des interfaces au cours du temps. Ceci nécessitera la mise en œuvre de différentes techniques de caractérisations, dont notamment MEB/EDS, MEB/FIB, diffraction des rayons X, spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS), microscopie optique confocale, ToF-SIMS, nanosonde Auger.
Ces travaux seront menés dans le cadre du Projet Européen SustainCell qui regroupe 10 partenaires et vise à soutenir l'industrie européenne dans le développement de la prochaine génération d'électrolyseurs et de technologies de piles à combustible (à basse et haute température) en développant une chaîne d'approvisionnement européenne durable de matériaux, de composants et de cellules, nettement moins dépendante des matières premières critiques (CRM), avec une empreinte environnementale et des coûts moindres, et des performances et une durabilité supérieures à celles des technologies existantes. Ils seront réalisés conjointement au sein de deux laboratoires de la région Nouvelle Aquitaine à Pessac (Plateforme Batterie du CEA Tech et Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB)).

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).

Nanostructures Silicium 3D/ALD recouvertes de polymères conducteurs pour des micro-supercondensateurs tout solides et flexibles.

L’objectif de ce travail de thèse concerne l’élaboration et l’étude de micro-supercondensateurs (micro-SC) tout solides, flexibles, ultra performants et durables. Ces micro-générateurs innovants tout solides fonctionneront sur une grande plage de température (-50°C à +120°C) et présenteront une durée de vie et des performances exceptionnelles. Les micro-SC tout solides proposés dans ce projet s’appuient sur
i)la réalisation par croissance CVD d’électrodes composées de nanofils et nanoarbres de silicium suivi d’un dépôt nanométrique d’un diélectrique et de nouveaux polymère conducteur électronique,
ii) Elaboration et caractérisations de nouveaux copolymères à base d’EDOT de type n
iii) la synthèse d’électrolytes solides polymères (ESPs) à base de poly(siloxane)s,
iv) les tests de performances des différentes électrodes et électrolytes en configuration de type systèmes à trois électrodes,
v) élaboration de nanocomposites à base des polymères conducteurs électroniques à base d’EDOT et de nanofils de silicium recouvert de couches nanométriques d’alumine et de HfO2 de et
vi) l’assemblage et tests de dispositifs en configuration de type sandwich rigide puis flexible.

Refroidissement et quench dans les bobinages HTS pour les tokamaks

Les aimants équipant les machines de fusion actuelles de type tokamak sont constitués de câbles supraconducteurs, et ils le seront nécessairement pour les futurs tokamaks de production électrique, l’utilisation de bobines en cuivre n’étant pas envisageable de par les puissances électriques requises. L’emploi de matériaux supraconducteurs dits à haute température (HTS pour High Temperature Superconductor) est envisagé à la place des matériaux actuels dits à basse température (LTS pour Low Temperature Superconductor), car ils autorisent l’accès à de plus forts champs magnétiques et ouvrent la voie à des machines plus compactes et potentiellement plus performantes. La thèse aura pour objectif de proposer des designs de bobinages HTS, en considérant leurs spécificités, principalement la plage d’opération étendue en température et la phénoménologie de transition incidentelle vers l’état résistif, dite quench, très différente des supraconducteurs LTS. Portant sur des problématiques de natures électrique, thermique et thermohydraulique, le projet doctoral visera à étudier différents designs HTS (rubans empilés ou torsadés), à développer les outils de simulation associés, à concevoir et réaliser des expériences de caractérisation des propriétés thermophysiques sur un échantillon HTS adéquat, et à s’appuyer sur les résultats obtenus pour proposer un ou plusieurs designs de bobinage HTS.

Compréhension des conditions d’inflammation des gaz issus de l’emballement thermique de cellules Li-ion

L’objectif de la thèse est de caractériser l’inflammation des gaz issus de l’emballement thermique de cellules lithium-ions. Lors de la phase de venting, la cellule émet des vapeurs d’électrolyte qui se mélangent à l’air présent, puis lors de l’emballement thermique, un jet chaud de gaz et de particules est formé et peut d’une part enrichir le mélange et d’autre part l’enflammer. Les questions scientifiques sous-jacentes portent sur l'évolution des caractéristiques fondamentales de la combustion (vitesse de flamme et délai d’auto-inflammation) avec la température, la pression et la composition, les mécanismes d’inflammation et l’impact de l’environnement sur la prépondérance d’un des mécanismes.
Pour y répondre, on utilisera d'abord une approche basée sur l'identification d'un modèle de cinétique réactionnelle utilisant des essais existants dans la littérature et des essais complémentaires à réaliser dans la thèse à l'échelle d'une cellule. Puis on caractérisera expérimentalement les conditions d’inflammation de mélanges par un jet chaud de gaz et de particules dans un tube à choc couplé à une chambre de combustion. Enfin, on réinterprètera la cartographie obtenue sur la base des connaissances acquises sur les mécanismes et conditions d’inflammation.

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.

Explosions d’hydrogène en milieux poreux topologiquement paramétrés : couplages fluide-solide et enjeux de sûreté

CONTEXTE

Futur atout de la transition bas-carbone, l’hydrogène reste un défi scientifique et sécuritaire de premier plan. Incolore et inodore, l’hydrogène fuit facilement, s’enflamme à basses concentrations et températures, et peut conduire à la propagation de déflagrations rapides ainsi qu’à des détonations, qui sont un type dangereux de combustion supersonique. Comprendre les mécanismes de transition d’une déflagration (flamme lente) vers la détonation (flamme supersonique accompagnée d’une onde de choc brutale) est donc indispensable à la sécurisation des installations de production d’hydrogène (électrolyseurs) ainsi qu’à l’industrie nucléaire. En effet, dans le scénario accidentel de perte de refroidissement et de fusion du cœur d’un réacteur, l’oxydation des gaines des crayons d’uranium peut mener à un dégagement d’hydrogène. C’est bien l’explosion subséquente qui a mené à la perte de confinement et au dégagement de matières radioactives à Fukushima et à Three Mile Island. La maîtrise du risque hydrogène est donc un des enjeux majeurs de la sûreté nucléaire.

Le mécanisme principal de la transition déflagration -> détonation est la présence d’obstacles le long du chemin de la flamme. Ces derniers vont générer de la vorticité, ce qui augmente la surface de la flamme et accélère l’onde réactive. Lorsque le nombre et l’encombrement des obstacles est suffisant, un effet d’emballement et de réflexions d’ondes peut mener à un couplage choc-réaction chimique : la détonation est née, se propageant à plusieurs kilomètres par seconde. Malheureusement, on ne peut éviter que les installations industrielles soient encombrées d’obstacles : tuyaux, bâtiments, machines, passerelles, structures… et présentent ce type de scénarios.

Inversement, un milieu très fortement encombré de type poreux peut, au contraire, étouffer une flamme trop rapide et permettre la transition inverse détonation -> déflagration, de nature moins dangereuse. Par exemple, on constate qu’une détonation peut être atténuée par le passage à travers une matrice poreuse ou lorsqu’un milieu poreux est placé le long des parois lors de la propagation dans un tube. Une question sécuritaire cruciale se pose alors : dans quelles circonstances un obstacle accélère ou ralentit une flamme ? Peut-on concevoir des milieux poreux qui arrêtent les flammes dangereuses ?

OBJECTIFS

Ce travail de thèse se propose d’aborder cette question sous trois angles :

1/ d’une part, via la préparation et la réalisation d’essais expérimentaux sur le banc d’essai d’explosions à hydrogène du CEA Saclay (SSEXHY). Entre autres, il s’agit :
- d’explorer différentes géométries pour les milieux poreux, en se basant sur des topologies paramétrables. Ces matrices poreuses seront ensuite imprimées en 3D via fabrication additive de métal ;
- de préparer l’instrumentation du banc d’essai d’explosions SSEXHY muni d’une section de visualisation via une technique de Schlieren couplée à une caméra ultra-rapide à plusieurs millions d’images par seconde ;
- de post-traiter les résultats des capteurs de choc, de pression et des photomultiplicateurs munis d’un filtre OH*.

2/ d’autre part, via des simulations numériques de type DNS ou LES sur des codes de calcul de recherche. On pourra par exemple s’intéresser :
- à l’influence de la géométrie des obstacles poreux (forme, porosité, diamètre hydraulique…) sur la vitesse de propagation de flamme et aux transitions déflagrationdétonation ;
- à l’influence du caractère 2/3D des poreux ;
- à la proposition de nouveaux critères de choix de niveau de raffinement de maillage pour la captation des phénomènes d’intérêt.

3/ enfin, une modélisation théorique du problème du point de vue des équations moyennées en volume pourra être menée, avec pour objectif le développement de modèles simplifiés et prédictifs sur le comportement des arrête-flammes poreux.

Décomposition de domaine multi-bloc et non conforme, adaptée au couplage aux frontières 'exact' du code de thermohydraulique SIMMER-V

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche nécessaire pour l'utilisation durable de l'énergie nucléaire dans un mix énergétique décarboné respectueux du climat. Les réacteurs de 4° génération refroidis au sodium sont alors des candidats de grand intérêt pour l'économie de la ressource en uranium et la minimisation du volume des déchets ultimes.

Dans le cadre de la sûreté de tels réacteurs, il est important de pouvoir décrire avec précision les conséquences d'une éventuelle dégradation du cœur. Une collaboration avec son homologue japonais JAEA permet au CEA de développer le code SIMMER-V dédié à la simulation de la dégradation du cœur. Le code calcule la thermohydraulique du sodium, la dégradation des structures et la neutronique du cœur pendant la phase accidentelle. L'objectif est de pouvoir représenter non seulement le cœur mais aussi son environnement direct (circuit primaire) avec précision. La prise en compte de cette topologie requiert de partitionner le domaine et d'utiliser une méthode de couplage aux frontières. La limite de cette approche réside généralement dans la qualité et la robustesse de la méthode de couplage, en particulier lors de transitoires rapides au cours desquels des ondes de pression et de densité sont amenées à traverser les frontières.

Une méthode de couplage a été initiée au Laboratoire de Modélisation des Accidents Graves de l’institut IRESNE de Cadarache (Annals of Nuclear Energy 2022,Implementation of multi-domains in SIMMER-V thermohydraulic code https://doi.org/10.1016/j.anucene.2022.109338), qui consiste à fusionner les différentes décompositions de chacun des domaines, dans le but de constituer une décomposition unique du calcul global. Cette méthode a été développée dans un cadre simplifié où les maillages (cartésiens) se raccordent de manière conforme au niveau des frontières. L'opportunité qui s'ouvre est d'étendre cette méthode au cas des raccords quelconques en utilisant la librairie MEDCoupling. Cette première étape dont la faisabilité a été acquise permettra d'assembler des composants pour constituer un système de type 'loop' (réacteur à boucles). La deuxième étape consistera à étendre la méthode de sorte qu'un domaine de calcul puisse être totalement emboîté dans un autre. Cet emboîtement permettra alors de constituer un domaine par juxtaposition ou par emboîtement avec des maillages et des décompositions de domaine non conformes. Après avoir vérifié les qualités numériques de la méthode, la dernière étape applicative consistera à construire une simulation de la dégradation d'un cœur plongé dans sa cuve primaire (configuration 'pool') permettant de valider la méthode suivie.

Ce travail permettra à l’étudiant de développer des connaissances en techniques numériques et modélisation pour les systèmes physiques complexes avec écoulements. Il mettra en œuvre des techniques allant de la conception à la validation de méthodes, dans une équipe pluridisciplinaire et dynamique au CEA Cadarache.

Développement et modélisation en CFD appliqués à la thermohydraulique du stockage souterrain de gaz en cavité

Au CEA, le LMSF propose une thèse en collaboration avec la société Storengy spécialiste mondial du stockage souterrain de gaz naturel dans les cavités salines. Des mesures réalisées en cavité montrent que le gaz est en mouvement convectif dans la partie supérieure de la cavité et qu’il n’est pas forcément en équilibre thermodynamique avec la saumure en fond de cavité, ce qui conduit à des phénomènes de stratification du gaz. Les différents régimes d’écoulement (convectifs ou non) vont fortement influencer d’une part les échanges de matière entre le gaz et la saumure et donc l’évolution de la composition (en eau et autres composants) du gaz en sortie de la cavité et d’autre part les échanges thermiques entre le gaz et le massif rocheux. Dans ce contexte, des outils de prédiction basés sur la CFD (Computational Fluid Dynamics) sont fortement bénéfiques pour la compréhension de ces phénomènes et contribueront à une meilleure interprétation des mesures physiques faites en cavité, à l’amélioration du design des installations de surface et au suivi des stockages, en particulier pour le stockage d’hydrogène. Dans ce projet de thèse, l’objectif est de développer une modélisation thermohydraulique sur la base du modèle TrioCFD du stockage de gaz dans des cavités de forme réaliste et en conditions d’opération des cavités (phases d’injection et de soutirage). Pour ce faire, le fonctionnement d’une cavité saline de stockage sera modélisé, dans un premier temps, en géométrie réelle et en monophasique puis en diphasique en prenant en compte les échanges de matière entre la saumure et le gaz dans la cavité.

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