Modélisation thermodynamique et dimensionnement 4E d’une batterie de Carnot. Application aux bâtiments et réseaux

Contexte de l’étude :
Afin d’encourager la décarbonation et promouvoir les sources d'énergie renouvelable dans tous les secteurs industriels, le développement de systèmes de stockage d'énergie efficaces est essentiel. Dans ce contexte, l’INSA LYON souhaite développer une plateforme expérimentale de référence – GRID4MOBILITY – associant différents systèmes d’énergie renouvelable, de stockage d’énergie, de production électrique et même de mobilité électrique.
Parmi les technologies de stockage d'électricité à grande échelle les batteries de Carnot présentent un grand intérêt. Leur principe de fonctionnement repose sur le stockage de l'électricité sous forme d'énergie thermique. La phase de charge est effectuée par un cycle de pompe à chaleur (conversion d’électricité en chaleur), et la phase de décharge est réalisée à l’aide d’un moteur thermique (cycle de Rankine par exemple qui permet de convertir la chaleur en électricité).
Les batteries de Carnot représentent une solution viable pour stocker l'électricité générée par les sources d'énergie renouvelable intermittentes sur le réseau. En outre, les réservoirs de chaleur voire de froid qui leur sont associés peuvent être exploités pour diverses applications, telles que les réseaux de chaleur ou le refroidissement des centres de données. L’objectif à terme est donc de développer un prototype expérimental d’une batterie Carnot. Cependant un travail préalable de modélisation est nécessaire avant d’aboutir à la mise en place d’un tel système ; travail qui fait l’objet de ce sujet de thèse.
Travail envisagé :
Le doctorant devra dans un premier temps effectuer une analyse bibliographique des systèmes de stockage de l’énergie. Il se focalisera en particulier sur la batterie Carnot et la batterie électrochimique ; cette dernière servira de système de référence.
Dans un deuxième temps, le doctorant devra modéliser en 0D et en 1D le système global faisant intervenir l’ensemble des composants : pompe à chaleur, stockage de chaleur thermochimique, cycle organique de Rankine (ORC). Une analyse de sensibilité sera alors menée afin de mieux comprendre l’impact des différentes grandeurs thermodynamiques sur l’efficacité globale du procédé.
Dans un troisième et dernier temps, l’application bâtiment envisagée sera définie. Elle reposera en outre sur le projet GRID4MOBILITY qui regroupe un bâtiment muni de
différents supports expérimentaux. Ce cadre servira alors au dimensionnement de la batterie Carnot qui sera issue du modèle numérique développé dans la partie précédente. Ce dimensionnement se fera notamment au travers d’une analyse 4E : Energétique, Exergétique, Environnementale et Economique. La batterie electrochimique servira de point de référence dans cette analyse.

Le CETHIL est une unité mixte de recherche (UMR 5008) de l'INSA Lyon, du CNRS et de l'Université Claude-Bernard Lyon 1. Les applications des travaux menés au CETHIL sont variées, dans des secteurs tels que l'aéronautique et le spatial, l'automobile, l'électronique, l'habitat, le nucléaire et les énergies renouvelables. Elles sont souvent rendues nécessaires par les besoins de la transition énergétique.

Les recherches du laboratoire couvrent les domaines de la thermique et de son application à divers systèmes énergétiques. Le CETHIL est un des seuls laboratoires au niveau national et international qui traite en continuum une gamme aussi étendue d'échelles de longueurs et de températures : de la nanostructure au bâtiment, de l'hélium liquide à la combustion en passant par le coulis de glace.

Les problématiques abordées relèvent de :

la physique des transferts thermiques
Il s’agit de comprendre les phénomènes régissant les transferts de chaleur ainsi que leurs couplages, aux différentes échelles de longueur, de temps ou de température et par tous les modes de transfert (convection, conduction, rayonnement, changement de phase).

la thermique dans les systèmes complexes et leur efficacité énergétique
Les sujets traités concernent notamment la thermique dans le bâtiment ou dans les systèmes énergétiques (systèmes frigorifiques, moteurs et chambres de combustion, systèmes solaires, …).

les procédés gouvernés par les transferts thermiques
L'impact des phénomènes thermiques sur certains procédés, notamment en plasturgie, est étudié en détail.

Le personnel du laboratoire est composé d'environ 115 personnes. La dernière évaluation quinquennale du laboratoire a eu lieu en 2020 (lien vers le résumé).

Le candidat, diplômé d’un Master (ou diplôme d’ingénieur), doit avoir de bonnes connaissances en thermodynamique, transfert de chaleur et mécanique des fluides et avoir une appétence pour la modélisation. Une première expérience en recherche sera appréciée.