H/f doctorat : modélisation et expérimentation d’une machine de détente alternative à membrane couplée à un alternateur linéaire pour la conversion de chaleur fatale en électricité

Contexte
Dans un contexte de transition énergétique et de décarbonations de l’industrie, la valorisation de chaleur fatale constitue un enjeu technologique et environnemental majeur. Cette chaleur reste encore largement sous-exploitée notamment du fait du manque de solutions technico-économiques efficaces à petite échelle (puissances inférieures à 100 kW).
Une des voies de valorisation est la conversion de ces chaleurs en électricité à l’aide de cycles moteurs. Cependant les machines de détente (turbines ou machines volumétriques) présentent des limitations importantes à ces faibles puissances :
• Les turbomachines perdent en rendement à cause de débits volumiques très faibles.
• Les machines volumétriques rotatives (Scroll, Roots, etc.) nécessitent une lubrification complexe et contraignante, avec des débits de fuites internes et des contraintes de maintenance.
• Pour certaines machines volumétriques, les rapports de détente fixes contraignent les conditions opératoires limitant leur adaptation à des sources thermiques variables.
Face à ces verrous, le projet CALIFORCE3 financé par l’ANR, explore une solution alternative innovante : le développement d’une Machine de Détente Alternative à Membrane couplée à un Alternateur Linéaire (REMLA). Cette technologie repose sur une conversion du travail de détente du fluide de travail en électricité, sans lubrification, sans pièces en rotation, et avec une grande flexibilité d’adaptation aux variations de pression, de température et de fluide de travail.
La machine de détente proposée est constituée :
• de chambres de détente à membrane, qui permettent une expansion efficace du fluide de travail sans risque de fuites,
• d’un alternateur linéaire, transformant directement le mouvement alternatif en électricité,
• d’une commande électronique intelligente, permettant de réguler le cycle de manière optimale.
Dans le cadre du projet CALIFORCE3, cette machine de détente sera intégrée à deux cycles thermodynamiques innovants ; un moteur Ericsson à piston liquide pour la production d’électricité et un procédé thermochimique hybride pour le stockage d’énergie et la cogénération de froid et d’électricité.
Cette thèse rentre dans le cadre d’un travail collaboratif qui inclut 3 laboratoires (IES-Montpellier, PROMES-Perpignan, LaTEP-Pau) et une start-up (EXTRAJOOL-Bordeaux) aux compétences complémentaires.
Les objectifs de la thèse sont :
• Définir un dimensionnement de la machine de détente et de ces conditions opératoires pour optimiser le couplage avec l’alternateur linéaire à l’aide d’un outil de simulation de l’ensemble de la machine qu’il faudra développer.
• Caractériser expérimentalement les performances de la machine de détente alternative à membrane couplée à un alternateur linéaire avec de l’air comprimé à différent niveau de pression et de température ;
• Valider le modèle numérique de la machine complète ;
• Identifier les pistes d’améliorations.
Programme de travail
• Étude bibliographique ;
• Modélisation des chambres de détente et de leurs périphériques (soupapes…)
• Développement d’un outil de simulation intégrant le modèle des chambres de détentes et celui de l’alternateur linéaire qui sera développé par l’IES.
• Simulations avec étude de sensibilité aux paramètres de conception et de fonctionnement pour proposer un dimensionnement et des conditions opératoires qui permettent de maximiser le rendement de conversion.
• Participation au dimensionnement et au montage du banc de caractérisation de la machine de détente alternative à membrane couplée à un alternateur linéaire avec de l’air comprimé
• Réalisation de la campagne expérimentale dans différentes conditions de température, de pression, de charge…
• Analyse des résultats (rendement global, fréquence optimale…) et validations des modèles.
Profil recherché
Formation BAC+5 en énergétique, mécanique, ou disciplines connexes. Connaissances solides en thermodynamique, conversion d’énergie, transferts thermiques. Intérêt pour la recherche appliquée mêlant simulation et expérimentation. Maîtrise d’un langage de modélisation/simulation (Matlab, Python, EES...).


Contexte de travail

Lieu : La thèse débutera au laboratoire PROMES à Perpignan, puis se poursuivra au laboratoire LaTEP à Pau.
École doctorale d’inscription : ED 305 – École Doctorale Énergie et Environnement de l’UPVD.


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.