Caractérisation de matériaux de stockage thermique par la thermodynamique des processus irréversibles // Characterization of thermal storage materials using the thermodynamics of irreversible processes

La transition énergétique mondiale nécessite le développement du stockage de l'énergie, indispensable pour contrecarrer l'intermittence des énergies renouvelables. Le stockage thermique, notamment latent à l'aide de matériaux à changement de phase (MCP), offre un fort potentiel mais reste limité du fait des difficultés de caractérisation et de modélisation. Les phénomènes de surfusion, de vieillissement et les faibles conductivités thermiques des MCP complexifient la conception de systèmes efficaces.
Le projet de thèse propose une nouvelle approche basée sur l'étude du bilan entropique. La thermodynamique des processus irréversibles permet d'analyser les transformations qui ont lieu dans les systèmes énergétiques. L'association des deux premiers principes de la thermodynamique conduit à l'introduction de la notion d'exergie qui rend possible l'évaluation de la qualité des transformations réalisées lors des processus réels de stockage et déstockage. La résolution de l'équation de bilan entropique peut ainsi conduire à l'identification de propriétés thermophysiques des matériaux.
Dans un second temps, l'approche sera étendue aux MCP ce qui nécessitera la prise en compte du changement de phase dans le bilan énergétique par l'ajout d'un terme source. Le formalisme mathématique du bilan entropique sera aussi fondamentalement impacté et obligera à faire appel à de nouvelles méthodes de résolution. Le LAMFA sera donc un appui important sur ces aspects.
Une troisième phase du projet étudiera le bilan entropique et le rendement exergétique du stockage afin d'évaluer l'efficacité d'un stockage thermique au cours des cycles de charge et de décharge et par extension le vieillissement des matériaux ou du système.
Les expérimentations s'appuieront sur les moyens des laboratoires LGCgE, PROMES et LAMFA, dont les expertises sont complémentaires en thermique, modélisation et calcul scientifique.
Ce travail s'inscrit dans le programme E-SENSE, dans le domaine des sciences du stockage, et vise à former un chercheur en énergie maîtrisant les approches expérimentales et numériques. Les résultats attendus concernent le développement de méthodes de caractérisation innovantes, de modèles fiables pour la simulation des stockages latents, et d'outils d'évaluation de leur efficacité et durabilité. Ils devraient conduire à des publications internationales et renforcer la position du LGCgE et de PROMES dans le domaine du stockage énergétique. Enfin, la thèse pourrait s'insérer dans les projets collaboratifs ANR EUROPA et MOTUS, ainsi que dans les travaux internationaux de l'Agence Internationale de l'Énergie (task 74/47), favorisant les retombées scientifiques, industrielles et sociétales.
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The global energy transition requires the development of energy storage, which is essential for mitigating the intermittency of renewable energy sources. Thermal storage, particularly latent thermal storage using phase-change materials (PCMs), offers significant potential but remains limited due to difficulties in characterisation and modelling. The phenomena of supercooling, ageing and the low thermal conductivities of PCMs complicate the design of efficient systems.
This PhD project proposes a new approach based on the study of entropy balance. The thermodynamics of irreversible processes enables the analysis of the transformations that take place in energy systems. Combining the first two laws of thermodynamics leads to the introduction of the concept of exergy, which makes it possible to evaluate the quality of the transformations occurring during actual storage and release processes. Solving the entropy balance equation can thus lead to the identification of the thermophysical properties of materials.
In a second phase, the approach will be extended to MCPs, which will require the phase change to be taken into account in the energy balance by adding a source term. The mathematical formalism of the entropy balance will also be fundamentally affected and will necessitate the use of new solution methods. The LAMFA will therefore provide significant support in these areas.
A third phase of the project will study the entropy balance and the exergetic efficiency of storage in order to assess the efficiency of thermal storage during charge and discharge cycles and, by extension, the ageing of the materials or the system.
The experiments will draw on the resources of the LGCgE, PROMES and LAMFA laboratories, whose expertise is complementary in the fields of thermal science, modelling and scientific computing.
This work forms part of the E-SENSE programme, in the field of storage sciences, and aims to train an energy researcher proficient in both experimental and numerical approaches. The expected results concern the development of innovative characterisation methods, reliable models for simulating latent storage, and tools for assessing their efficiency and durability. These are expected to lead to international publications and strengthen the position of the LGCgE and PROMES in the field of energy storage. Finally, the PhD research could form part of the ANR EUROPA and MOTUS collaborative projects, as well as the international work of the International Energy Agency (Task 74/47), thereby promoting scientific, industrial and societal benefits.
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Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : https://www.lgcge.fr/offre-de-these-2025

Enseignement supérieur

Université d'Artois

585 Sciences, Technologie, Santé

Physique Sciences de l'Ingénieur ; Mathématiques appliquées
Physics and Engineering Sciences; Applied Mathematics