Contrats institutionnels nationaux

[PR Nat 1]. Groupe d’Analyse Thématique sur l’Habitat – GAT 6 - (2002-2005)

Apport des énergies renouvelables et maîtrise des échanges dans l’habitat Sous-groupe de réflexion « Systèmes et réseaux adaptés aux bâtiments »

Partenaires : IMP (Perpignan), LET (Poitiers), LIMSI (Orsay), CETHIL (Lyon), LEPTAB (La Rochelle), LOCIE (Chambéry), LEMTA (Nancy), CENERG ( Paris/Sophia-Antipolis), CSTB, BRGM, CIRED, IEPE (Grenoble)

Ce réseau de laboratoire a pour objectif de proposer des solutions pour réduire la consommation énergétique de l’habitat et du tertiaire (premier poste de consommation énergétique en France) en réduisant les besoins, en visant une efficacité énergétique optimale tout en recherchant l’intégration des sources énergétiques renouvelables dans l’habitat et le tertiaire. Les axes d’orientations de recherche portent sur l’amélioration des connaissances des phénomènes physiques à différentes échelles de l’habitat, la levée des verrous technologiques par l’introduction de procédés innovants et de matériaux nouveaux pour l’habitat, ainsi que l’étude de l’impact environnemental de l’habitat.

[PR Nat 2]. Programme Energie du CNRS : PRI 6.1 "Froid Solaire" 2002-2004

Partenaires : PROMES (D. Stitou (Coordonnateur du projet), N. Mazet), L.E. Toulouse (F. Monchoux), LET Poitiers (F. Penot)

J’ai assuré la responsabilité scientifique et technique de ce projet en tant que coordonnateur du projet. L'objectif de ce programme a été de démontrer la faisabilité d'un nouveau concept de production de froid à très basse température (jusqu' à -30°C) pour l'habitat à partir d'énergie solaire thermique disponible à 70°C. Ce procédé, basé sur un couplage original et innovant en cascade thermique de dipôles thermochimiques a fait l'objet d'une thèse soutenue en 2005 que j’ai co-dirigée. Ces travaux originaux ont donné lieu à 3 dépôts de brevet.

Ce projet a permis par une approche originale de couvrir tous les aspects de recherche/développement d’un procédé innovant : du concept de cascade de systèmes à sorption résultant d’une analyse exergétique amont, jusqu'à l’expérimentation d’un prototype de taille significative et sa modélisation globale et simulation en conditions réelles de fonctionnement.

[PR Nat 3]. Programme ENERGIE du CNRS : PRI 9.2 - 2002-2003

Cycles thermochimiques pour le transport à longue distance de chaleur et de froid Partenaires : IMP-CNRS (N. Mazet, D. Stitou), LSGC (D. Tondeur), LOCIE (L. Luo) Ce projet exploratoire a permis d’étudier les potentialités des cycles thermochimiques utilisés pour le transport de chaleur et de froid à longue distance. En effet, le transport de chaleur et de froid a longue distance (> 10 km) est un enjeu important de gestion énergétique et pour la revalorisation de l’important gisement que constituent les rejets thermiques (incinérateurs, industries,…). Les réseaux actuels basés sur le transport de chaleur sensible sont de distance trop limitée (<5 km). Quatre aspects importants ont été

abordés au cours de cette première étude exploratoire afin de confirmer la faisabilité d'un tel concept : l'identification du procédé et de ses conditions opératoires, la sélection de réactifs compatibles avec ce procédé, la conception d'un réacteur autotherme, point-clé d'un tel procédé, et l'impact du transport de gaz sur les performances globales.

[PR Nat 4]. Programme Energie CNRS (2002-2006) : PRI 8.1 – Communauté d’Analyse et

de Recherche des Nouvelles Orientations de la Thermodynamique (CARNOT) Partenaires : PROMES (Perpignan), LEMTA (Nancy), CEP-ENSMP (Paris), CETHIL (Villeurbanne), LAGIS (Villeneuve d’Ascq), CNAM (Paris), LIMSI (Orsay), LaTEP (Pau), GEPEA (St Nazaire), LSGC (Nancy)

L’objectif final de ce programme de recherche est la structuration d’une communauté française de thermodynamique, afin de faire l’état des connaissances des outils et concepts dans ce domaine. L’un des objectifs a été de comparer les diverses approches thermodynamiques (analyse entropique analyse, exergétique, thermodynamique des processus irréversibles, thermodynamique en temps ou dimensions finies, approche constructale,…) et de cibler les domaines d’application de chaque méthodologie, tels que l’analyse et l’optimisation des procédés de conversion/transformation de l’énergie.

[PR Nat 5]. AC Energie CNRS-MRNT: PR 2.8 'Transport de froid' - (2004 - 2007)

Cycles thermochimiques pour le transport de chaleur et de froid a longue distance Partenaires : PROMES (N. Mazet, Coord.), LSGC (D.Tondeur), LOCIE (L. Luo) Ce projet est dans la continuité du projet exploratoire PRI 9.2. En effet, Le transport de chaleur et de froid à longue distance, au delà des limites actuelles des réseaux basés sur le transport de chaleur sensible, est un enjeu important de gestion énergétique et récupération de rejets thermiques. Le concept étudié dans ce projet rempli cet objectif en remplaçant le transport de chaleur par un transport de gaz, mis en jeu dans 2 processus physico-chimiques renversables, endothermique sur un site, et exothermique sur l'autre. L'effet utile peut ainsi être soit la production de chaleur soit de froid. Les processus sont des sorptions solide/gaz ou des changement de phase liquide/gaz. La combinaison en cascade de plusieurs procédés à sorption permet d'élargir les potentialités, en particulier à la revalorisation de la chaleur, en adaptant les conditions opératoires du système complet aux source/puits disponibles. Cela implique l'utilisation de réacteurs autothermes et donc une complexité accrue. Les travaux menés dans le cadre de projet ont consisté à définir les cycles et déterminer les réactifs adaptés, la conception et le dimensionnement du réacteur autotherme, la modélisation dynamique du procédé complet en fonctionnement cyclique afin d’évaluer les performances de l’ensemble du procédé ainsi que la comparaison avec des systèmes concurrents.

[PR Nat 6]. ADEME/PROMES - Projet CLIMSOL – (2005 – 2008)

Développement et expérimentation longue durée d’un pilote de rafraîchissement

solaire par un procédé thermochimique solide gaz BaCl₂/NH₃

Partenaire : ADEME (B. Gagnepain), PROMES (D. Stitou)

Ce projet de recherche et de développement technologique dont j’ai eu la responsabilité scientifique et technique est dans la continuité du programme européen INTERREG IIIA et s'inscrit dans un objectif de valorisation de l'énergie solaire thermique. Ce projet qui constitue une opération démonstration, vise à étudier les performances d'un pilote à l’échelle 1, représentatif pour l'habitat, de rafraîchissement solaire par un procédé thermochimique solide/gaz couplé à des capteurs thermique plans, classiquement utilisés pour la production d'eau chaude sanitaire à 60°C/70°C ou le chauffage l’hiver. L’analyse des résultats expérimentaux acquis sur 3 saisons d’été, conduit à un rendement de captation de 50% pour les capteurs solaires et un COP du procédé variant de 30 à 40% en production de froid à 4°C. Une productivité frigorifique de l’ordre 800 à 1200 Wh de froid/m²capteur/jour a ainsi pu être démontrée, signifiant qu’environ 20% de l’énergie solaire incidente peut être directement transformée en froid par un tel dispositif thermochimique. Ce dispositif expérimental permet actuellement de rafraîchir la salle de conférence de 130m² située à l’UMS In’Sol. Il permet une production frigorifique de l’ordre de 20 kWh/jour de froid à 4°C à partir de 21m² de capteurs solaires thermiques

[PR Nat 7]. ANR – PREBAT 2007 : CLIPCOOL (2007 – 2011)

Développement d’une unité de rafraîchissement solaire, basée sur l’absorption et la désorption chimique de vapeur d’eau et utilisant des capteurs solaires plans Labellisé par les pôles de compétitivité TENERRDIS et DERBI

Partenaires institutionnels : PROMES (S. Mauran (Resp), D. Stitou, N. Mazet) , CEA-INES (Ph.Papillon) - Partenaires industriels : CLIPSOL (coord.), MIQRO Le projet ClipCool a consisté au développement d’une unité de rafraîchissement solaire basé sur une réaction chimique renversable entre de la vapeur d’eau et un sel de type hydrate, en complément d’un système solaire combiné (SSC). Ce type de solution permet, en plus des apports traditionnels des systèmes solaires combinés (chauffage et eau chaude), une amélioration du confort estival et une réduction des consommations énergétiques tout

en augmentant la productivité annuelle des capteurs solaires. Une des principales

innovations portées par ce projet réside dans la fonction de stockage sous forme chimique de l’énergie solaire au sein de l’installation. Le stockage chimique permet une utilisation optimale de l’énergie solaire accumulée au cours de l’année. Pour PROMES, il s’est agit de concevoir le prototype de réacteur thermochimique et mener les expérimentations en conditions réelles de fonctionnement (couplage avec le SSC). Une modélisation du réacteur a permis d’optimiser les caractéristiques du lit réactif (épaisseur, taux de sel, densité,...) influençant les paramètres de transfert de chaleur et de masse, la conception optimale de l’échangeur thermique entre le milieu réactif solide et le fluide caloporteur ainsi que définir la stratégie optimale du contrôle du système complet.

[PR Nat 8]. ANR –PREBAT : ORASOL 04/2007 - 12/ 2010

Optimisation de procédés de rafraîchissement solaire Labellisé par les pôles de compétitivité DERBI et TENERRDIS

Partenaires institutionnels : PROMES (D. Stitou (Resp.), N. Mazet), LPBS (F. Lucas, La Réunion), LaTEP (J. Castaing, Pau), LIMSI (M. Pons, Orsay), LOCIE (N. Le Pierrès, Chambery), CEA-INES (F. Boudehenn, Chambery)

Partenaires industriels : CIAT, TECSOL (D. Mugnier),

Projet à la fois fondamental et appliqué sur les procédés de rafraîchissement solaire permettant d’investiguer les différentes techniques de rafraîchissement solaire les plus prometteuses (par dessiccation, absorption L/G, adsorption S/G, sorption chimique S/G). Ce projet a pour but de mener une analyse du comportement de tels procédés en conditions réelles de fonctionnement (sur au moins une saison d’été) afin d’établir une comparaison de ces procédés sur des critères à la fois énergétiques (COP, COPsol, exergétiques et technico-économiques). Pour chacun des partenaires, une modélisation du procédé complet couplant captation solaire, procédé, distribution et dispositifs d’évacuation de chaleur, a été menée afin de dégager des pistes de réflexion sur le dimensionnement optimal et l’optimisation du contrôle/commande du procédé sous sollicitations variables.

[PR Nat 9]. Prog. Interdisciplinaire ENERGIE 2 du CNRS : TRIGEBAT (2007 – 2008)

Cycles thermodynamiques à rendement maximal pour la trigénération (chaleur / froid / travail) dans l'habitat

Partenaires : PROMES (S. Mauran, D. Stitou), ENS (F. Prévond, Cachan), FEMTO-CREST (F. Lanzetta, Belfort)

Ce projet exploratoire a permis d’explorer des solutions potentiellement performantes pour satisfaire les besoins chauffage/climatisation/électricité et de conceptualiser de nouvelles machines dithermes, motrices ou réceptrices et de leurs associations soit en cascade thermique, en couplage mécanique ou hydraulique. Les fluides de travail sont des corps purs ou mélanges azéotropiques (hydrocarbures, HFC, H₂O, …) qui décrivent des cycles proches, voire confondus avec le cycle de Carnot (moteur ou récepteur). À la différence des cycles à gaz (Stirling par exemple), les étapes d’échange de chaleur avec l’environnement se font avec changement d’état liquide / vapeur du fluide de travail, comme pour le cycle de Rankine, et donc avec de hauts coefficients de transfert. La difficulté technique de l’échange de travail avec l’environnement pendant les étapes de compression et de détente isentropiques des mélanges biphasiques liquide / vapeur du fluide de travail est contournée en passant par l’intermédiaire d’un liquide de transfert qui joue le rôle d’un piston fluide. Deux configurations de machines ont été investiguée faisant l’objet de deux dépôts de brevet :

 la machine ditherme CAPILI (cycle de Carnot à Piston Liquide) qui permet l’échange de travail avec l’environnement par l’intermédiaire d’un liquide de transfert entraînant convertisseur hydraulique/mécanique/électrique.

 la machine tritherme CHV3T (à compression hydraulique de vapeur) qui est constitués de deux machine dithermes, l’une motrice et l’autre réceptrice,

couplé par un piston hydraulique permettant le transfert de travail d’un cycle à l’autre. L'intégration d’un alternateur sur cette ligne de transfert permet de convertir tout ou partie du travail pour une production électrique avec la même machine tritherme permettant ainsi de remplir les fonctionnalités de trigénération.

[PR Nat 10]. P.I.2 ENERGIE du CNRS : PR 3.3-12 - VALOTHERM (2007 – 2010)

Evaluation comparative des technologies de transport d'énergie a longue distance pour la valorisation de rejets thermiques basse température Partenaires : PROMES (N. Mazet (Coord.), D. Stitou), LOCIE (L. Luo, N. Lepierres, Chambéry)

Les rejets thermiques représentent un gisement important mais difficilement valorisable car ces sources de chaleur sont souvent très éloignées des utilisateurs potentiels. Le transport de chaleur et/ou de froid sur de longues distances est donc un enjeu majeur à relever pour la valorisation de ces rejets. La possibilité de transporter un fluide intermédiaire inerte entre les sites source et utilisateur en mettant en œuvre des procédés à sorption (réaction solide/gaz, absorption liquide/gaz) ont été étudiés. L'objectif de ce projet était de quantifier selon les caractéristiques de la source de chaleur et les besoins du site utilisateur, l'intérêt de chacun de ces procédés, ainsi que des procédés plus classiques de transport d'énergie, comme par exemple un réseau électrique couplé à une pompe à chaleur. Il s’agit de définir la gamme de pertinence de chaque système telle que l'adéquation entre procédés, température de source et température d'effet utile. Une méthodologie permettant d'évaluer tous les systèmes sur un même critère, quelle que soit la forme de l'énergie transportée (chimique, mécanique…) a été développée. Par ailleurs, des études de cas concrets pour l’application des ces procédés ont été étudiés, concernant les principaux types de rejets thermiques (incinérateurs, centrale thermique, géothermie,…), et des besoins de chaleur basse température (50-60°C).

[PR Nat 11]. ANR – STOCK-E : ESSI - (2008 – 2013)

Evaluation comparée de Systèmes de Stockage Inter-saisonnier Labellise par les pôles de compétitivité DERBI et TENERRDIS

Partenaires institutionnels : PROMES (P. Neveu, N. Mazet), CEA –INES, LOCIE, LaTEP. Partenaire industriel : DOMINGUEZ Energie

Le projet ESSI s’inscrit dans la problématique générale du stockage intersaisonnier ou de longue durée de l’énergie thermique, et a pour objectif de concevoir, dimensionner et expérimenter un système de stockage thermochimique pour les besoins de chauffage de l’habitat. Outre le développement expérimental d’un réacteur thermochimique de haute densité énergétique ( supérieur à 300 kWh/m³), le projet ESSI comprend un volet de recherche fondamentale portant d'une part sur l’optimisation des transferts de masse et de chaleur au sein d’un milieu poreux fortement densifié, et d'autre part sur deux configurations de procédé thermochimique : soit un procédé classique fonctionnant sous