Topic description
Le stockage d'énergie thermique constitue un levier essentiel pour accompagner la transition énergétique, notamment pour améliorer l'efficacité des systèmes alimentés par des sources renouvelables intermittentes. Il joue également un rôle clé dans le développement de solutions de refroidissement performantes pour des dispositifs électroniques de plus en plus compacts, caractérisés par des densités de dissipation thermique croissantes.. Parmi les solutions existantes, les matériaux à changement de phase en émulsion (Phase Change Materials, PCM) se distinguent par leur capacité à stocker et restituer de grandes quantités d'énergie sous forme de chaleur latente à
température quasi constante. Toutefois, leur intégration dans des systèmes dynamiques reste limitée par des verrous technologiques majeurs, tels que leur faible conductivité thermique, les phénomènes de surfusion, la dégradation chimique sous cycles thermiques répétés, ainsi que l'utilisation majoritaire de composants d'origine pétrochimique.
Ce projet de thèse vise à développer des nanoémulsions de PCM performantes, stables et durables, en s'appuyant sur une approche de formulation avancée intégrant des PCM d'origine renouvelable, des huiles biosourcées, et des stabilisants durables tels que les nanocelluloses et des tensioactifs biosourcés. La dispersion du PCM sous forme de gouttelettes nanométriques au sein d'une phase liquide permet d'augmenter fortement la surface d'échange thermique, d'améliorer le transfert de chaleur et de limiter les phénomènes de sédimentation ou de coalescence. À cette échelle, la formulation devient un paramètre clé pour contrôler à la fois les propriétés thermiques et la stabilité
physicochimique du système.
Les travaux porteront en particulier sur (i) la maîtrise de la taille et de la distribution des gouttelettes de PCM par des stratégies d'inversion de phase et de nanoémulsification, (ii) l'étude de la stabilité des nanoémulsions sous cycles thermiques répétés, (iii) la réduction de la surfusion et (iv) l'évaluation des propriétés thermophysiques pertinentes pour le stockage d'énergie (chaleur latente, conductivité thermique, comportement en régime dynamique). Une attention particulière sera portée à la substitution des constituants pétrochimiques par des alternatives biosourcées afin de réduire l'empreinte environnementale globale des formulations.
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Thermal energy storage is a key lever for supporting the energy transition, particularly to improve the efficiency of systems powered by intermittent renewable energy sources. It also plays a crucial role in the development of efficient cooling solutions for increasingly compact electronic devices characterized by ever-growing heat dissipation densities. Among existing solutions, phase change materials in emulsion form (Phase Change Materials, PCM) stand out for their ability to store and release large amounts of energy in the form of latent heat at nearly constant temperature. However, their integration into dynamic systems remains limited by major technological bottlenecks, including low thermal conductivity, supercooling phenomena, chemical degradation under repeated thermal cycling, and the predominant use of petrochemical-based components.
This PhD project aims to develop high-performance, stable, and sustainable PCM nanoemulsions, relying on an advanced formulation approach integrating renewable PCM, bio-based oils, and sustainable stabilizers such as nanocelluloses and bio-sourced surfactants. Dispersing the PCM as nanometric droplets within an aqueous continuous phase significantly increases the heat exchange surface area, enhances heat transfer, and limits sedimentation and coalescence phenomena. At this scale, formulation becomes a key parameter for controlling both the thermal properties and the physicochemical stability of the system.
The work will focus in particular on (i) controlling PCM droplet size and size distribution using phase inversion and nanoemulsification strategies; (ii) investigating the stability of nanoemulsions under repeated thermal cycling; (iii) reducing supercooling effects; and (iv) evaluating thermophysical properties relevant to thermal energy storage, including latent heat, thermal conductivity, and dynamic thermal behavior. Special attention will be paid to replacing petrochemical-based components with bio-based alternatives in order to reduce the overall environmental footprint of the formulations.
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Début de la thèse : 01/10/
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Financement d'un établissement public Français
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