Conception d’une unité de stockage innovante et étude des mécanismes sous-jacents au stockage thermique à haute température

Description de la problématique de recherche

Les énergies renouvelables et la récupération de la chaleur fatale sont parmi les leviers identifiés pour atteindre l’objectif de neutralité carbone en 2050. Cependant, la nature intermittente des énergies renouvelables et de la chaleur fatale industrielle nécessite une gestion intelligente des différentes sources d’énergies disponibles. Le stockage d’énergie, et en particulier le stockage de chaleur, est une des solutions les plus pertinentes permettant d'équilibrer l'offre et la demande énergétique.

Le stockage de chaleur fait l’objet de nombreuses recherches depuis plusieurs années. Selon la température de la source de chaleur et le type de stockage choisi (sensible ou latent), divers fluides caloporteurs (air, eau, huiles, sels fondus) et de matériaux de stockage (matériaux organiques, minéraux, sels, métaux et alliages, etc.) ont été étudiés. Parmi les travaux menés, les avancées sur le stockage de chaleur basse et moyenne températures (< 400°C) sont notables avec des prototypes à différentes échelles. Les travaux menés au CERI Energie, partenaire du projet, emploient une double approche numérique et expérimentale avec une utilisation avancée de codes CFD pour prédire les processus de fusion-solidification de matériaux à changement de phase. Des travaux spécifiques sur la récupération de chaleur fatale ou de l’énergie solaire à haute température en vue de son stockage sont développés au sein de l’ITheMM avec des échangeurs en mousses céramiques. En même temps, l’analyse des données issues du rapport de l’ADEME faisant l’état des lieux des différents gisements de chaleur fatale en France (données de 2015) indique un gisement supérieur à 25 TWh perdu à une température supérieure à 400°C sur un gisement total de 109.5 TWh. Le stockage haute température est également vital afin de palier l’intermittence de la production d’énergie des centrales solaires thermiques.

Malgré les nombreux travaux menés, plusieurs verrous technologiques et scientifiques à différents niveaux restent à lever pour un développement massif et à grande échelle du stockage de chaleur haute température. D’un côté, les matériaux et les systèmes thermiques d’échange, les solutions technologiques de stockage fixes et mobiles doivent être adaptés pour un fonctionnement à haute température. D’un autre côté, les modèles thermiques, fluidiques et thermomécaniques existants doivent être validés pour mieux comprendre les phénomènes physiques et dimensionner et optimiser les différents composants du système.

Ce projet doctoral vise à lever les verrous scientifiques et technologiques associés au stockage de chaleur à haute température. L’objectif spécifique est de développer un prototype de système de récupération et de valorisation de chaleur dans la plage de température entre 500 et 800°C à l’aide d’unités innovantes de stockage thermique permettant un accroissement significatif des performances des unités de stockage. Le projet combine des approches de simulation numérique et des approches expérimentales qui seront menées au sein des deux laboratoires ITheMM (Université de Reims Champagne-Ardenne) et CERI Energie (IMT Nord Europe) dans une logique de complémentarité et de mise en commun de moyens et de compétences.

Pour atteindre ces objectifs, ce projet est organisé en quatre tâches à savoir :

1. Identification de la solution technologique du système de stockage et caractérisation des matériaux et des fluides
2. Conception et réalisation du dispositif de stockage
3. Mise en place du système de récupération de l’énergie primaire
4. Elaboration du dispositif complet et tests de performances

L’Université de Reims Champagne-Ardenne est un établissement public à caractère scientifique, culturel et professionnel pluridisciplinaire. Son implantation sur plusieurs sites en fait une université de proximité à taille humaine. Accueillante et dynamique, elle offre un cadre favorable aux études, à la vie étudiante et à la recherche.

Université de formation et de recherche, elle développe un projet scientifique autour de 4 grands pôles à forte expertise scientifique:

• un pôle pluridisciplinaire à dimension internationale en agro-sciences, environnement, biotechnologies et bio-économie (AEBB) prenant en compte, dans un territoire à forte économie agricole et viticole, l’agriculture du futur,
• un pôle Santé, porteur de niches scientifiques d’excellence et d’une offre de formation médicale et paramédicale riche et variée,
• un pôle Sciences du numérique et de l’ingénieur (SNI) autour du calcul haute performance, de l’industrie 4.0, des matériaux et des transformations technologiques,
• et un pôle Sciences de l’Homme et de la société (SHS) avec notamment l’essor d’un nouvel axe autour des arts du spectacle fédéré par la création d’une Maison des sciences humaines.

Connue et reconnue pour sa recherche innovante, l’URCA compte 30 équipes de recherche labellisées, 4 écoles doctorales et de nombreuses plateformes technologiques.

En partenariat avec les grandes écoles, les organismes nationaux de recherche, elle développe une recherche de haut niveau et des innovations technologiques ou de service au travers de grands projets scientifiques, de moyens technologiques pointus et de partenariats avec les acteurs socio-économiques (entreprises, fondations, associations, collectivités). Par ailleurs, elle soutient l’émergence de nouvelles thématiques pour permettre les découvertes et les inventions de demain.

L’Université de Reims Champagne-Ardenne incite ses laboratoires à développer des partenariats internationaux et facilite l’accueil de chercheurs invités et la mobilité de ses chercheurs grâce à des accords de coopérations avec plus de 20 pays à travers le monde.

Le laboratoire d'acceuil :

La thèse se déroulera au sein de l’Institut de Thermique, Mécanique, Matériaux (ITheMM). C’est un laboratoire de l’école doctorale Sciences du Numérique et de l’Ingénieur (ED SNI). Les activités de recherche de l’ITheMM s’articulent autour des Sciences Pour l’Ingénieur, et plus précisément sur des thématiques liés à la mécanique, à la thermique et à l’énergétique, et aux sciences des matériaux. Ces activités de recherche pluridisciplinaires sont mises en œuvre par 60 enseignants-chercheurs (dont 30 HDR), 11 personnels BIATSS, et plus de 30 doctorants et post-doctorants, ce qui fait de notre institut un des plus gros laboratoires de l’URCA.

• Formation d’ingénieur ou de Master en Thermique et Energétique, Mécanique des fluides, ou disciplines équivalentes ;
• Bonne maitrise des transfert thermiques (convection et rayonnement), de la mécanique des fluides, de la thermomécanique ;
• Goût pour l’expérimentation, de la modélisation et simulation numérique, et la lecture d’articles scientifiques ;
• Très bon niveau d’anglais (à l’oral et à l’écrit) ;
• Très bonne capacité à communiquer et à s’intégrer dans une équipe.
• Connaissance des logiciels de simulation numérique (ex. OpenFOAM, ANSYS Fluent, etc.) sera un plus ;