2. Energies Propres
(P. Da Costa, E. Galvez, G. Gerolymos, Ph. Guibert, I. Vallet)
Cette thématique développée par P. Guibert, P. Da Costa, G. Gerolymos et I. Vallet a été renforcée à travers le recrutement de M.E. Galvez (Poste Inter UFR Ingénierie-Chimie). Ce thème est à ce jour divisé en trois sous-thèmes : La valorisation de CO2 , l’énergie Solaire et les éoliennes.
2.1 Procédés Catalytique pour la valorisation du CO2
(P. Da Costa, E. Galvez)
L’utilisation du dioxyde de carbone comme matière première a été très étudiée ces dernières années afin de contrôler les émissions de ce gaz à effet de serre et de proposer des procédés innovants pour lutter contre le réchauffement climatique (Figure 3.1). Depuis 2013, CEPT a développé une grande expertise dans les procédés en rupture ou quasi-matures pour la valorisation du CO2 tels que le Reformage du méthane ou la méthanation. A ce jour, deux thèses ont été soutenues (R. Debek, Co-tutelle UPMC AGH Pologne, 2016, M. Nizio, co-tutelle 2PM Chimie Paristech, PSL) et cinq thèses sont en cours (H. Liu (2015), D. Wierzierki (2015), A. Izquierzo (2016), Y. Lu (2016-sandwich CSC), K. Swirk (2016).
Au travers des thèses de Albarazi (soutenue en 2013) et de Debek (soutenue en 2016), il a surtout été développé l’aspect catalyse. Ainsi, en collaboration avec l’AGH de Cracovie (Faculty of Fuel), nous avons opté pour des matériaux naturels tels que les hydrotalcites pour la valorisation. La Figure 2.2 présente le potentiel de ces matériaux pour le reformage à sec du méthane (CO2+CH4) impliquant deux gaz à effet de serre et qui conduit à la production d’hydrogène et CO qui peuvent être alors utilisés pour faire des carburants propres ou des produits chimiques à forte valeur ajoutée.
Ces deux thèses ont conduit au développement de matériaux actifs à basses températures et à 15 publications de rang A. Trois thèses sont en cours sur ces aspects reformage mais cette fois en traitant de conditions bien plus réalistes telles que des conditions de biogaz ou gaz d’échappement de chaudières, etc. Un autre procédé a été développé plus récemment avec les thèses de Nizio (soutenue en 2016) et la thèse de D. Wierzierki (2015). Il s’agit de la méthanation (produire un gaz naturel de synthèse à partir d’hydrogène, provenant d’énergies renouvelables (solaire, etc, voir ci-dessous) et de CO2. L’équipe CEPT développe deux types de procédés : (i) le procédé catalytique classique avec des collaborations avec l’université de SFAX (Tunisie) et l’AGH pour le développement de matériaux naturels comme catalyseurs, (ii) le procédé couplé de méthanation PLASMA-CATALYSE développer avec ChimieParistech (2PM) (Figure 3.3). Des études on été menées sur des matériaux classiques mais aussi sur des matériaux naturels, il s’agit encore du même couplage mais en utilisant encore des matériaux de types naturels et donc très peu coûteux (Figure 3.4). Dans le cas du procédé couplé, le plasma (décharge à barrière diélectrique- DBD) va permettre d’abaisser la température de réaction en activant les espèces CO2 et CH4, ces espèces étant alors beaucoup plus réactives en présence de catalyseurs. Bien évidemment, au-delà des développements de procédés des études mécanistiques sont en cours en collaboration avec ChimieParistech (2PM) et dans le cadre de PLAS@PAR avec le LPP (UFR de Physique de l’UPMC) afin de comprendre les mécanismes physico-chimique engendrés par la présence du plasma dans ces procédés et leur influence sur la catalyse.
2.2 Energie Solaire
(Michel Dudeck, Elena Galvez, Philippe Guibert)
Une coopération avec l’université d’Ukraine (National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute, KhAI) a été amorcé en 2011 par le montage d’une thèse durant la période 2011-2015 d’Olena IUREVYCH dont le titre est « Etude d’une installation solaire hybride avec concentrateur du rayonnement solaire. »
Cette coopération a été très fructueuse et les échanges scientifiques ont engendrés de nombreuses publication dans des congrès nationaux et internationaux et deux brevets sur le thème «Capteur solaire hybride avec concentrateur holographique du rayonnement solaire ». Cette action a été soutenu par le programme d’accord Hubert Curien (PHC) – DNIPRO. La mise en place d’un accord inter université avec le vice-recteur de l’Université Nationale Aerospatiale de Kharkiv (Ukraine) M. Vitaliy Pavlenko fait l’objet d’échange pour sa finalisation.
Le concept développé d’un capteur solaire hybride thermique photovoltaique durant cette thèse intègre une feuille holographique. Le rayonnement allant du visible au proche infra-rouge est dévié afin d'être introduit dans un guide d’onde qui le concentre vers des cellules photovoltaïques. Le rayonnement infra-rouge solaire traverse la feuille holographique et apporte son énergie à un absorbeur thermique. On dispose ainsi d’une source à la fois d’énergie
électrique et d’énergie thermique permettant de limiter la température des cellules photovoltaïques et donc d’augmenter leur rendement. En principe, seuls les photons avec une énergie supérieure à cette énergie de bande interdite photonique de l'absorbeur permettent de générer des paires électron-trou. Une fois que les électrons occupent les niveaux d'énergie de valence supérieure, l'énergie supplémentaire que les paires électron-trou reçoivent des photons est libérée sous forme de chaleur dans le semi-conducteur. Les photons avec une énergie inférieure à l'énergie de bande interdite sont en principe pas absorbés et ne peuvent pas générer des paires électron-trou. Par conséquent, ces photons ne sont pas impliqués dans le processus de conversion d'énergie photoélectrique.
Le capteur solaire hybride associe dans un même ensemble, un split spectral contrôlé par une feuille holographique, diverses épaisseurs de vitre servant en particulier pour la première couche de concentrateur du rayonnement solaire, des panneaux élémentaires photovoltaïques, un absorbeur et un échangeur thermique sur des zones déployées en quinconce.
La séparation en longueur d’onde réalisée par l’hologramme permet de diminuer la température des cellules photovoltaïques en dirigeant la partie infra-rouge vers l’absorbeur et donc permet dans le principe une augmentation du rendement PV par une meilleure maitrise de la température de la cellule.
Le modèle proposé répond aux besoins de conception, d’analyse des performances et de l’obtention de tendances pour aboutir à l’optimisation de systèmes hybrides. Il n’y a pas un module idéal mais des modules qui devront répondre à différents types d’application. Il y a, par contre, dans une finalité définie la nécessité de trouver d’une part les bons matériaux (propriétés optiques, thermiques et mécaniques), la bonne architecture des différentes couches, les épaisseurs et les aménagements optiques. Le travail a pu démontrer par un exemple d’étude comparative deux concepts de montage et des performances très différentes. Plusieurs pistes doivent être entreprises pour améliorer le code de calcul.
Capteur solaire hybride, composé de polycarbonate monolithe comme guide d'onde, d’une feuille holographique, d’un absorbeur, d’un échangeur et de cellules photovoltaïques.
2.2 Eoliennes
(G. Gerolymos, I. Vallet)
L’expertise en turbomachines en aéronautique (compresseurs axiaux par exemple) du LEMFI (avant la création de l’Institut) a été ré-orientée, au cours du dernier quinquenal, dans l’étude numérique des éoliennes. Ainsi, nous nous sommes intéressés à deux aspects de l’aérodynamique des éoliennes. Le premier concerne l’analyse approfondie du bilan global de force et de moment en tenant compte des effets visqueux et de mélange. Cette analyse fait, en particulier, apparaître des épaisseurs de déficit au dessus de la couche de mélange qui se développe entre le flux d’air qui traverse les pales et le flux externe. Ces épaisseurs de déficit en combinaison avec les pertes importantes dues à l’éclatement tourbillonnaire dans le sillage sont à l’origine de l’état brake-state et nous travaillons actuellement sur le développement d’un modèle rationnel de l’état brake-state.
Parallèlement, nous avons revisité le problème du rotor optimal, non seulement en tenant compte des effets des tourbillons d’extrêmité et de traînée des pales, mais également en imposant la contrainte d’une corde fixe, ce qui est beaucoup plus souple que dans le cas classique où la corde optimale n’était pas contrôlée. Deux publications sont en cours de soumission et nous collaborons actuellement avec le DAAP de l’Onera sur cette étude.
3. Procédés de Dépollution
(P. Da Costa, E. Galvez, A. Matynia)
Un exemple complexe développé depuis peu est celui des systèmes de post-traitements (catalytiques, etc.) pour l’amélioration de la qualité de l’air et de l’eau. Ainsi, les systèmes de post-traitements peuvent être vus comme l’assemblage d’un tube d’entrée, d’un diffuseur, d’un ou plusieurs substrat(s), d’un cône et d’un tube de sortie. Le substrat, en céramique ou métallique, est constitué d’un ensemble de canaux (en forme de « nid d’abeille ») tapissés de métaux nobles. Le diamètre hydraulique de ces canaux, de l’ordre du millimètre, garantit une surface importante aux réactions catalytiques se développant en leur sein. Les gaz d’échappement à traiter issus des chambres de combustion sont acheminés via une tubulure à la géométrie complexe et sont distribués dans les canaux du substrat via un diffuseur au taux d’expansion très important. La distribution de l’écoulement et du champ de température à l’entrée de la zone réactionnelle peut être fortement non-uniforme. Cette mal-distribution est principalement due aux caractéristiques géométriques du diffuseur, à la résistance générée par le substrat et aux conditions d’entrée de l’écoulement dans le diffuseur (écoulement turbulent, pulsé, sans symétrie remarquable du champ de vitesse). Cette distribution inhomogène de l’écoulement à l’entrée du substrat a des conséquences dramatiques sur l’efficacité de conversion, la dégradation prématurée de certaines zones (avec un risque de transfert direct des gaz à travers le système), la génération de pertes de charges additionnelles, et engendre une mauvaise utilisation du volume et donc, un surdimensionnement des zones réactives tapissées en métaux précieux. Il est donc capital d’obtenir une prédiction aussi précise que possible de l’écoulement et du champ de température se développant en amont du système de post-traitement. Ces aspects ont notamment été étudiés dans la thèse de Cansu Ozhan (soutenue en 2014) via des simulations numériques (Gerris). Un autre aspect important est le développement de nouveaux matériaux pour des procédés innovants (vehiculesvéhicules fonctionnant au gaz naturel). Dans ce cadre, des nouveaux réacteurs catalytiques ont été développés, de la phase active au washcoat, pour le traitement des oxydes d’azotes en utilisant du méthane comme agent réducteur, ces dispositifs étant destiné aux véhicules au gaz naturel. Ce travail a été réalisé en collaboration (de la phase active au washcoat) ont été développés avec l’IST Lisbonne et GDF-Suez dans le cadre de la thèse de Acacio Mendes (soutenue en 2015) (brevet déposé en 2015). Une thèse est toujours en cours sur les aspects vieillissements des catalyseurs ainsi que sur leur empoisonnement par les métaux alcalins (sodium et potassium dans le cas présent) issus des gaz d’échappement émis par les véhicules fonctionnant avec du bio-diesel (Yquian Xie (soutenance fin 2017)) . Dans le cadre du traitement de l’eau, nous avons développé deux nouveaux procédés : un procédé photo-fenton sur de catalyseur de Type « plate » pour les traitements de composés organiques et de colorants contenues dans les eaux industrielles (thèse Haithem Bel Hadj, soutenue en 2015) et un procédé sono-catalytique basé sur les phénomènes de cavitation par impact pour les traitements des eaux usées issues de centrales nucléaires (thèse de lauréanne Parizot, en cours (2016))
Faits marquants
1. Développements de Procédés Innovants (1brevet)
Dans le cadre des développements de procédés innovants, l’équipe a notamment développé en dépollution des systèmes tri-phasiques pour la dépollution de l’eau (Thèse H . Bel Hadj ; Thèse M Daou, L. Parizot). 1 brevets a été déposés en 2015 par l’équipe.
En ce qui concerne la dépollution de l’air, l’équipe a déposé un brevet sur un système de dépollution pour les véhicules fonctionnant au gaz naturel et possède une expertise internationale dans le domaine.
Enfin, dans le cadre des volets plasma-catalyse, l’équipe a développé avec Chimie-Paristech un procédé plasma DBD-catalyse pour la réaction de SABATIER (méthanation : production de substitut de gaz naturel à partir de CO2 et d’hydrogène).
2. Energie Solaire : coopération UPMC /National Aerospace University de Kharkiv (2 brevets)
La coopération avec l’université d’Ukraine (National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute, KhAI) a a permis le travail d’une thèse durant la période 2011-2015 d’Olena IUREVYCH et la production d’un brevet « Panneau solaire hybride N°98680 et une extension française en cours de validation.
Projet scientifique à cinq ans
1. Procédés Plasmas
En 2016, l’équipe CEPT de ∂’Alembert a rejoint le second cercle du LABEX PLAS@PAR (Plasma à Paris). Dans ce Labex, l’équipe a initié des collaborations dans le cadre de la valorisation de l’énergie et de la dépollution avec le LPP (CNRS-UPMC-X). Il s’agit de poursuivre le développement de procédés innovants Plasma couplés à de la catalyse. L’équipe apportant son savoir faire et son expertise en génie des procédés et catalyse, expertise couplée à l’expertise physique des plasmas de nous partenaires. Une EUR a été déposée, dans lequel l’équipe interviendra pleinement cette fois directement dans le premier Cercle. Nous pouvons également noté que sur le volet Plasma-CO2, l’équipe est porte le dépôt d’un EJD-ITN (CEPT, ∂’Alembert, UPMC) qui devrait aboutir en 2018, impliquant 15 laboratoires et partenaires internationaux et trois industriels du secteur. Deux thèse en co-tutelles sont attendues pour septembre 2018.
2. Solaire
Nous poursuivrons les efforts menés sur l’utilisation de la ressource solaire. En particulier, la production des combustibles/carburants solaires à travers des procédés thermochimiques permet la transformation de l’énergie solaire en énergie chimique et donc sous une forme plus facile à stocker et transporter. L’énergie solaire thermodynamique (à concentration) permets l’opération sous rayonnement solaire des diverses réactions endothermiques, qui n’ont pas lieu que à très haute température. Le reformage solaire du méthane et les cycles de réduction et oxydation des paires métalliques sont aujourd’hui considérées comme les routes les plus efficaces pour la production du syngaz solaire (H2+CO), et par la suite des carburants solaires.
3. Intensification des Procédés
L’équipe a décidé de recentrée ses thématiques dépollution, Valorisation du CO2 et énergie aussi dans un axe intensification des procédés
Dépollution
En dépollution de l’air, le savoir-faire de l’équipe CEPT en post-traitement sera également développé avec des études approfondie au cœur même du matériau catalytique par l’approfondissement de la compréhension des phénomènes de vieillissement des systèmes « on road » en couplant Chimie, Chemical Engineering et Mécanique des Structures. Ce volet sera réalisé notament avec l’équipe MISES. Le développement de nouveaux procédés de dépollution (Catalyse, oxydation des particules de Suies, etc.) sera bien évidement conservé comme sous-thème prioritaire (exemple: thèse CSC Hailong Zhang sur le traitement des particules de suies sur des systèmes innovants) qui débute cette année). Ces nouveaux procédés pour la plupart « chimiques » nous amènerons à développer des études pluridisciplinaires autour de l’interaction « turbulence »/surface/Réaction chimique etc. notamment en liant expériences (équipe St Cyr) à numérique (équipe Jussieu)
En dépollution de l’eau, les procédés de cavitation et de Photo-Fenton couplées seront améliorés et les collaborations nationales et internationales (Projet Européens) seront développées.
Valorisation du CO2
L’intensification des procédés de valorisation du CO2 est un axe transverse puisqu’il est à la fois lié au volet Plasma, au volet procédés classiques et au volet Solaire qui en cours de développement à CEPT. En effet, pour les procédés basses température et exothermique, on va privilégier les couplages procédés classiques et procédés plasma. En ce qui concerne, les procédés hautes températures, l’accent sera mis sur le couplage de procédés classiques (reformage du méthane) avec des procédés solaires. Tous ces axes pluridisciplinaires sont des axes prioritaires et développé en collaboration intra Sorbonne Universités, au niveau national (GREMI, PARIS XIII, CHIMIEPARISTECH) et au niveau international (EJD-ITN ; Pologne, Portugal, Roumanie, Belgique, Royaume Uni)
Energie
Dans le cadre d’une collaboration initiée en 2015 avec SAFRAN, l’équipe a développée un banc d’essai expérimental permettant de simuler le vieillissement d’une huile Aéronautique. Ces développements expérimentaux, possible grâce à l’expertise et au support de l’équipe technique de ∂’Alembert permettent à l’équipe de développer des collaborations nouvelles, notamment avec l’ONERA et SAFRAN sur des volets pluridisciplinaires et expérimentaux.