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Thermodynamique Des Systèmes

Groupe TDS

Le groupe TDS développe des travaux de recherche dans le domaine de l’hyper-efficacité énergétique, le symbiotisme énergétique, la sobriété énergétique et la sobriété matière. Les équipes de recherche ont développé ou développent des technologies qui modifient radicalement l’efficacité énergétique d’un procédé, d’un service ou de l’usage d’un produit. Les enjeux sont de diminuer les consommations spécifiques d’énergie par des facteurs qui varient de 20 à 80 %.

L’hyper-efficacité énergétique comporte à la fois une méthodologie générale et des outils de calcul et d’optimisation associés, ainsi que le développement de technologies génériques qui doivent cependant être adaptées à chaque domaine d’application. Les secteurs d’activité visés sont essentiellement les procédés industriels et le bâtiment, mais des retombées et des développements sont directement utilisables dans les secteurs du transport et de l’agriculture.

La valorisation de la chaleur résiduelle dans les procédés industriels joue un rôle crucial dans l'amélioration de l'efficacité énergétique globale. Lorsqu’il n’est pas possible d'utiliser la chaleur résiduelle dans le procédé ou lorsque la chaleur des effluents à haute température a déjà été intégrée à l'intérieur du procédé, la conversion de la chaleur résiduelle (chaleur à basse température <120 °C) en électricité doit être envisagée. Les deux grandes technologies en rupture qui font l’objet de R&D et de démonstration pour l’hyper-efficacité énergétique et ouvrent des développements dans différents secteurs d’application sont les pompes à chaleur (PAC) sur effluents liquides et les cycles organiques de Rankine (ORC) sur effluents gazeux. Les rejets perdus sur liquide et sur gaz, mais aussi sur les solides, constituent des gisements considérables d’énergie à valoriser.

En parallèle, le groupe TDS poursuit le développement de la plateforme d’optimisation énergétique avec le méta-langage Modelica (CERES). Ces travaux s’intègrent dans le consortium CERES-2 soutenu par l’ANR. Ils ont déjà permis la mise en place d’un outil d’intégration thermique permettant la création de réseaux d’échangeurs de chaleur. Les premiers procédés qui seront étudiés sont ceux de la production du papier, les procédés agro-alimentaires et un procédé sidérurgique.

Dans le domaine des systèmes thermodynamiques pour l’habitat du futur, le groupe TDS développe dans le cadre du partenariat ECLEER, avec EDF et l’EPFL, des travaux sur les pompes à chaleur. Ces bâtiments consomment moins de 50 kWhe/m2 par an pour le chauffage, la ventilation, la climatisation, l’eau chaude sanitaire et l’éclairage. Les systèmes de chauffage adaptés à ce type de bâtiments sont absents sur le marché français. Le groupe TDS développe des concepts de mini pompe à chaleur et des pompes à chaleur hybrides.

Le groupe continue également le développement du portail Thermoptim®. Ce portail est déjà diffusé auprès de plus de 120 établissements d'enseignement supérieur dans le monde ainsi qu'auprès d'une trentaine d'industriels. En 2011, un important travail de traduction en anglais du livre sur les Systèmes Energétiques et d'une partie significative du portail Thermoptim-UNIT a été effectué, afin de répondre à une demande croissante en provenance de pays non francophones. 

 

Les travaux à l’échelle des systèmes associent des analyses thermodynamiques dérivées des premier et deuxième principes de la thermodynamique ainsi que des techniques d’optimisation mathématiques.

L’originalité de ces travaux réside dans la démarche méthodologique progressive :

  • identification des besoins énergétiques minimaux relatifs au procédé étudié ;
  • choix par optimisation multi objectifs (exergie, économie, environnement…) des moyens de production et de stockage des besoins énergétiques ;
  • conception thermodynamique optimisée des systèmes de production des besoins énergétiques. Lors de cette étape, l’application de l’analyse exergétique conduit à la conception de l’architecture thermodynamique ainsi que le choix du fluide de travail du système.  

Les travaux menés sur cet axe ont permis le développement d’une plateforme d’optimisation de la récupération de chaleur dans les procédés industriels (CERES). Cette plateforme développée selon la licence libre intègre les principales fonctions formant la méthodologie.

Le groupe développe et maintien une bibliothèque de modèles des composants et des systèmes thermodynamiques. La modélisation des systèmes permet d’accélérer le processus de conception innovante en limitant le nombre de prototypes à réaliser. Pour être efficace, la modélisation doit être à la fois fidèle à la réalité mais aussi la plus simple possible. La simplification des modèles est effectuée par un découplage intelligent des phénomènes physiques ainsi que par la modélisation macroscopique de certains phénomènes de petite échelle en utilisant une approche de caractérisation expérimentale.

Grâce aux développements méthodologiques et scientifiques, des technologies génériques sont étudiées (pompes à chaleur à très haute température (>140°C), cycles en cascade intégrées, systèmes de contrôle des compositions circulantes, cycles organiques de Rankine, turbines diphasiques, cycles à éjecteur..) et déclinées pour chaque domaine d’application. Les secteurs d’activité visés sont essentiellement les procédés industriels et le bâtiment, mais des retombées et des développements sont directement utilisables dans les secteurs du transport et de l’agriculture.

Les travaux de l’équipe sont menés en collaboration avec des équipes de recherches nationales (PROMES, LEMTA, CRISMAT, IRSTEA, CEA…) et internationales (EPFL, KIT, Chalmers, SP…) ainsi qu’en partenariat avec le tissu industriel (EDF, Bonduelle, Air Liquide, Térréal…).

Ces travaux ont donné lieu dans les 5 dernières années, à la soutenance de 12 thèses de doctorat, la publication de 13 articles dans des journaux à comité de lecture, le dépôt de 5 brevets d’invention, et la participation à sept conférences.

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Thermodynamique Des Systèmes - MINES ParisTech
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