Doctorant/e Solutions de stockage thermique latent flexibles pour la récupération de la chaleur fatale, une plus grande efficacité énergétique et la décarbonation

MISSIONS :

Projet scientifique :

Selon l’ADEME, les émissions thermiques fatales dans le secteur industriel représentent une puissance estimée à 51 TWh, soit 16 % de la consommation de combustibles dans l’industrie, rejetés sous forme de chaleur fatale en France. L’analyse de la répartition de cette puissance perdue montre que 10% sont concentrées dans les hautes températures (>400°C), 37% dans les moyennes températures (200°C à 400°C) alors que 53% sont concentrées dans les basses températures (100 °C à 200°C). En raison du fait que les sites d’émission haute température sont en nombre limité en France, plusieurs travaux ont été effectués ces dernières décennies sur la récupération et la valorisation de ces rejets ce qui a abouti au développement de systèmes de stockage haute température matures, très souvent sous forme sensible dans des matériaux réfractaires. Les émissions thermiques moyenne et basse température sont souvent disséminées au sein du territoire national avec un gisement important dans les Hauts de France pour ce qui concerne les basses températures. Cette dissémination constitue un frein au développement de technologies de rupture pour la récupération et la valorisation de ces rejets contrairement aux rejets hautes températures.

Objectifs :

Ce projet vise à développer des solutions de stockage thermique latent flexibles pour la récupération de la chaleur fatale en ciblant une application à l’amélioration de l’efficacité énergétique de différents systèmes énergétiques industriels. Plus concrètement, l’objectif du projet est de réduire voire substituer le recours aux sources énergétiques fossiles dans différentes applications telles le chauffage et la production d’eau chaude dans le secteur résidentiel (eau chaude sanitaire, habitations individuelles et collectives, hôpitaux, EHPAD, etc.) ou/et industriel, l’agroalimentaire (culture sous serre), les réseaux de chaleurs, les procédés énergétiques endothermiques par des énergies fatales captées et stockées dans des unités de stockage thermique latent optimisées et avec une grande flexibilité d’utilisation selon l’application avec pour objectif ultime de contribuer au développement d’une industrie du futur performante, vertueuse et économe.

Compte tenu de leur forte densité énergétique volumique, une des pistes de récupération de ces rejets thermiques est de développer des modules de stockage thermique latent dans des matériaux à changement de phase (MCP) en priorisant les matériaux éco-efficients. L’innovation visée dans ce projet est l’utilisation de techniques passives d’accroissement des transferts de chaleur aussi bien au sein du MCP qu’au sein du fluide caloporteur pour rendre ces modules compacts et optimisés facilitant de ce fait les phases de charge-décharge d’énergie thermique pour un panel d’applications cibles.

Activités :

La complexité des phénomènes mis en jeux dans les unités de stockage devant être développées dans le cadre de ce projet nécessite le développement de modèles numériques de prédiction (CFD fine) des processus de fusion-solidification incluant les échanges convectifs qui peuvent être naturels ou mixtes. Ces modèles par la suite ont besoin de validation fine sur des installations expérimentales aussi bien au niveau local que global. Par conséquent, une double approche numérique et expérimentale est concomitamment employée dans ce projet. Les modules de stockage développés faisant intervenir différents phénomènes physiques couplés (conduction et convection monophasique, conduction et convection avec changement de phase), une modélisation fine de ces modes transferts sera effectuée en mettant en œuvres des outils numériques de type CFD[1] dans le but de décrire fidèlement les mécanismes de transferts mis en jeu au niveau local. Des expérimentations thermo-fluidiques (locales et globales) seront développées afin de valider les différentes modélisations numériques effectuées et caractériser les performances des matériaux à changement de phase sélectionnés (visualisations thermo-fluidiques, thermométrie, caractérisation thermo-physique de matériaux, essais de cyclage thermique). Un accent sera mis sur l’utilisation de techniques quantitatives avancées de type vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) aussi bien du côté du fluide caloporteur que du côté du MCP pour avoir accès aux champs de vitesse (aussi bien en convection naturelle dans le MCP qu’en convection forcé dans le fluide caloporteur) permettant de qualifier les modèles numériques développés. Les outils numériques mis en œuvre dans ce projet, couplés à ces expérimentations permettront de prototyper et de développer des modules de récupération de chaleur fatale dans la plage de température comprise entre 70° et 180°C, flexibles et durables.

École sous tutelle du ministère de l’économie, des finances et de la souveraineté industrielle et numérique, et école de l’Institut Mines Télécom, IMT Nord Europe a 3 missions principales : former des ingénieurs responsables aptes à résoudre les grandes problématiques du XXIème siècle ; mener des recherches débouchant sur des innovations à haute valeur ajoutée ; soutenir le développement des territoires notamment en facilitant l’innovation et les créations d’entreprises. Son objectif est de former les ingénieurs de demain, maîtrisant à la fois les technologies numériques et les savoir-faire industriels. Idéalement située au carrefour de l’Europe, à 1 heure de Paris, 30 minutes de Bruxelles et 1H30 de Londres, IMT Nord Europe a l’ambition de devenir un acteur majeur des grandes transformations industrielles, numériques et environnementales du XXIème siècle en combinant, tant dans ses enseignements et que dans sa recherche, les sciences de l’ingénieur et les technologies du digital.

Localisée sur 2 sites principaux d’enseignement et de recherche, à Lille et à Douai, IMT Nord Europe s’appuie sur plus de 20000m² de laboratoire pour développer un enseignement de haut niveau et une recherche d’excellence dans les domaines suivants :

-             Systèmes Numériques                                 

-             Energie Environnement

-             Matériaux et Procédés

Le présent projet de recherche monté par IMT Nord Europe s’effectue avec le soutien financier de l’Agence Nationale de Recherche dans le cadre du projet ANR RECLASSIF 2024 monté par le réseau national des Ecoles d’ingénieur de l’Institut Mines Télécom (IMT) et de l’Ecole Nationale des Arts et Métiers (ENSAM).

PROFIL DE LA CANDIDATE / DU CANDIDAT :

Le poste convient à un(e) candidat(e) ayant/préparant un Master2 / diplôme d’ingénieur et possédant des compétences dans l’un ou plusieurs des domaines suivants : Mécanique des fluides / énergétique / thermique.

Les principales compétences nécessaires à la réalisation du projet de recherche proposé sont les suivantes :

       •     Modélisation numérique et simulation thermo-fluidique

       •     Expérimentation thermo-fluidique par approche locale et globale

       •     Rigueur scientifique et qualité rédactionnelles requises

       •     Maîtrise de la langue anglaise pour valorisation des travaux (publications, communications scientifiques)

Des connaissances autour d’un ou plusieurs logiciels suivants seront appréciées : Star CCM+, ANSYS-FLUENT ou équivalents.