PÔLE THÉMATIQUE DE RECHERCHE 4 | Systèmes énergétiques et procédés thermiques

Responsable : Emmanuel DELALEAU – Responsable adjoint : Jean-Louis LANOISELLE

Conception, caractérisation et optimisation du fonctionnement en usage

Activités scientifiques

Caractérisation et modélisation numérique de problèmes multi-physiques à différentes échelles :

  • Matériaux : lois de comportement, cinétiques réactionnelles,…
  • Procédés et Systèmes : transferts de chaleur et de masse, apports ou production d’énergie combinés, …
  • Conception de pilotes et instrumentation

Développement et évaluation d’outils numériques pour :

  • Le monitoring de systèmes énergétiques, de petite et de grande échelle, en vue de la détection et du diagnostic de défaillances
  • Le contrôle / commande résilient avec un fonctionnement énergétique et dynamique optimaux

Objectifs :

  • La conception, l’optimisation et le pilotage de procédés ou de systèmes
  • Efficacité énergétique, qualité, résilience, durabilité
  • Procédés économes et surs, valorisation agro-ressources
  • Couplage usages / production multi-énergies

Axes de recherche

Les travaux menés au sein de l’axe Procédés Thermiques concernent la caractérisation et la modélisation à différentes échelles de phénomènes physiques et bio-chimiques couplés induits par des apports d’énergie. Il s’agit en particulier d’étudier des mécanismes physiques de transferts d’énergie, de matière et de quantité de mouvement aux interfaces et au sein de matériaux denses ou poreux, sièges de transformations physiques ou (bio)chimiques induites par des sollicitations thermiques et/ou électromagnétiques. Les enjeux sont la compréhension et la maîtrise des phénomènes couplés afin de bien appréhender les cinétiques et l’influence des apports d’énergie. La démarche scientifique mise en œuvre combine expérimentation et modélisation numérique à différentes échelles.

Les activités développées visent à l’amélioration de l’efficacité énergétique de procédés de transformation de matériaux. Les opérations telles que le séchage et la cuisson grandes consommatrices d’énergie et génératrices de nombreux rejets sont particulièrement étudiées. Ces études sont réalisées à l’échelle des matériaux et des procédés

Les compétences et les savoir-faire dans cet axe s’articulent autour de trois domaines d’activités complémentaires :

  1. la modélisation et la simulation numérique,
  2. la caractérisation
  3. la détermination de lois de comportement, l’instrumentation thermique et la conception de bancs d’essai.

L’expertise scientifique se situe donc dans la compréhension et la maîtrise des phénomènes couplés par des approches à différentes échelles, l’étude en usage et sous sollicitations extrêmes de matériaux, la conception, l’optimisation et le pilotage de procédés.

Les objectifs sont de répondre aux enjeux scientifiques et technologiques pour des procédés à température modérée (séchage, cuisson, congélation/refroidissement, méthanisation,…) ;

Applications :

  • Séchage/réticulation de polymère en base aqueuse par convection et infrarouge
  • Séchage de matériaux poreux : boue, béton de chanvre, etc
  • Cuisson, décongélation de produits
  • Méthanisation

Thème 1 : caractérisation et prédiction des cinétiques de transformation

Lors de la mise en œuvre ou de la transformation de matériaux apparaît souvent une phase de séchage (déshydratation) couplée à d’autres phénomènes (déformation, réactions physico-chimiques…).

Ces opérations sont bien souvent associées à un apport de chaleur par différents modes de transfert thermique (conduction directe, convection, rayonnement thermique) qu’il convient de maîtriser afin d’améliorer l’efficacité pour aboutir à un produit de qualité. Ainsi sur le volet modélisation/simulation numérique du comportement des matériaux, nous cherchons à apporter plus de connaissances aux modèles développés. Il s’agit en particulier de prendre en compte plus précisément les cinétiques réactionnelles (réticulation, hydratation…), les phénomènes de « croûtage » et de déformation (retrait, gonflement) qui ont un impact direct sur les mécanismes de transfert.

 

Thème 2 : optimisation des procédés

Parallèlement aux travaux du thème 1 se situant à l’échelle des matériaux, des études sont menées afin d’optimiser le dimensionnement et la commande des sources.

Du fait des fortes non-linéarités et des couplages existants, les modèles de « connaissance » développés nécessitent une discrétisation spatiale fine et une utilisation de pas de temps faibles.

Cependant, ces modèles s’avèrent inadaptés pour la recherche de paramètres opératoires optimaux ou le développement de loi de commande au niveau des procédés. Dès lors, le recours aux techniques inverses permet l’établissement de modèles simplifiés, les objectifs étant :

    • de disposer de modèles permettant de simuler « rapidement » la réponse des variables d’état (température, teneur en eau et pression par exemple dans le cas du séchage d’un milieu poreux)

Pilotes de séchage

      • de développer des méthodes d’estimation de propriétés à partir d’expérimentations

Simulation champ de température et déformation d’un produit céréalier (cuisson baguette)

Partenariats

      • SEM LIGER (Locminé Innovation Gestion des Énergies Renouvelables) – Programme IMETEL (Intensification MEthanisation par Technologies ÉLectriques
        Date début : 01/02/14          Date Fin : 31/01/17            Durée : 36 mois
        Sujet : Couplage de la méthanisation et des champs électriques pulsés d’intensité faible ou modérée en vue de l’optimisation de la production de biogaz et du séchage du digestat
      • Université de Bretagne Sud (laboratoire IRDL – CNRS 3744), Groupe Constructions Industrielles et Mécaniques de Sablé (CIMS), Région Bretagne (projet Stratégie d’Attractivité Durable (SAD)
        Projet SECALIN, Responsable du projet : Virginie Boy (UBS)
        Date début : 01/04/17          Date Fin : 30/03/18            Durée : 12 mois
        Sujet : Séchage de produits alimentaires par jet d’air chaud intermittent
      • SEM LIGER (Locminé Innovation Gestion des Énergies Renouvelables)
        Projet HYDATE
        Date début : 01/02/17          Date Fin : 31/01/20            Durée : 36 mois
        Sujet : Caractérisation des barèmes d’hygiénisation des intrants de méthanisation. Étude comparée de la pasteurisation thermique et de la destruction des micro-organismes par champs électriques pulsés
      • Université de Bretagne Sud (laboratoire IRDL – CNRS 3744), Institut Français des Productions Cidricoles (IFPC), Collectif Ouest pour la Recherche sur le Cidre (COREC, groupement d’industriels), INRA 1268 (Biopolymères, Interactions Assemblages équipes PVPP, PRP et CRAIS)
        Projet OPTIPRESS 2, Responsable du projet : Rémi Bauduin (IFPC, Sees),
        Date début : 01/01/17          Date Fin : 30/06/20            Durée : 42 mois
        Sujet : Optimisation des rendements d’extraction de moûts de pommes à cidre
      • Université de Bretagne Sud, GIP Campus E.S.P.R.I.T. Industries de Redon (FR), Corporation technologique d’Andalousie (SP), Université de Séville (SP), Centre de recherche pour l’énergie l’environnement et les technologies (SP), Institut technologique des îles Canaries (SP), Brinergy Tech (SP), University College Cork (IRL), Resolute Marine Limited (IRL), Agence régionale de l’énergie et de l’environnement (POR), Université d’Évora (PO), Université de Cardiff (UK)
        Projet Interreg EERES4WATER Responsable du projet : Erik Zilliox (GIP Campus E.S.P.R.I.T) ; responsable scientifique pour la France (Pr Phillipe Mandin),
        Date début : 01/10/19          Date Fin : 30/09/22            Durée : 36 mois
        Sujet : promote the direct use of renewable energy sources and energy efficiency in the water cycle by influencing related policies and introduction of new processes and technologies
      • Université Bretagne Sud, UBO-LEAMR (FR), UA-BOREA (FR), IRD-MOI (FR), ALGAIA (FR), CIRAD (FR), EFINOR (FR), L3MA (FR), UBS-LBCM (FR), CINVESTAV (MEX), UCaen-BOREA (FR), The Marine Box (FR), IFREMER-BIODIVENV (FR), University of the West Indies (JAM)
        Projet SAVE-C (ANR Sargassum  – ADEME) Responsable du projet : Valérie Stiger (UBO-LEMAR)
        Sujet : Study of holopelagic SArgassum responsible of massive beachings: Valorization & Ecology on Caribbean coasts

Thèses récentes ou en cours :

      1. Jean el ACHKAR Méthanisation de marc de raisin. Caractérisation et optimisation du procédé et de prétraitements Doctorat de l’Université de Bretagne Sud et de l’Université Saint Joseph (Liban), début en janvier 2014, soutenu le 30 mai 2017.
      2. Mohamed Amr CHAAMA Couplage de la méthanisation et des électrotechnologies : intensification de la production de biogaz et du séchage du digestat Doctorat de l’Université de Bretagne Sud, début en novembre 2013, soutenu le 10 octobre 2017.
      3. Xiaojun LIU Hygiénisation des denrées alimentaires par technologies électriques Doctorat de l’Université de Bretagne Sud, début en novembre 2016, thèse en cours, soutenance prévue en 2019.
      4. Aida DERMOUCHI Traitement d’huile de coupe par électrocoagulation et traitements biologiques Doctorat de l’Université de Constantine 3 (Algérie), début en janvier 2016, thèse en cours, soutenance prévue en 2020.
      5. Ikbel SOULI Valorisation technologiques et biotechnologiques des variétés tunisiennes des dattes en se basant sur les molécules bioactives – Doctorat de l’Institut National Agronomique de Tunisie (INAT), début en octobre 2014, thèse en cours, soutenance prévue en 2020.
      6. Zeinab HAZIME Étude comparative des processus de séchage : combinaison de la texturation et de la décontamination microbienne par Détente Instantanée Contrôlée Doctorat de l’Université de Bretagne Sud, début en octobre 2018, thèse en cours, soutenance prévue en 2021.
      7. Tamara MOURDA Étude comparative des processus de séchage : modélisation phénoménologique et intensification combinant Détente Instantanée Contrôlée et déshydratation intermittente Doctorat de l’Université de Bretagne Sud, début en octobre 2018, thèse en cours, soutenance prévue en 2021.
      8. Florent STRUYVEN Microfluidique diphasique et électrolyse alcaline de l’eau Doctorat de l’Université de Bretagne Sud et de l’Université de Canterbury (Nouvelle Zélande), début en octobre 2018, thèse en cours, soutenance prévue en 2021.
      9. Karima DAHMANI Extraction de molécules actives de fenouils par différents procédés en vue de leurs applications – Doctorat de l’Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene, début en octobre 2017, thèse en cours, soutenance prévue en 2021.
      10. Salma BOUMAIZE Modélisation statistique du séchage mixte solaire / électrique couplé à la Détente Instantanée Contrôlée : application à la valorisation économique de la figue (Ficus carica) et de la cerise (Prunus aviums. L) Doctorat de l’Université Sultan Moulay Slimane, début en septembre 2019, thèse en cours, soutenance prévue en 2022.
      11. Marie-Noël MANSOUR Méthanisation des fumiers de volailles : rôle des prétraitements et de la conduite des bioréacteurs sur l’acclimatation des communautés bactériennes Doctorat de l’Université de Bretagne Sud et de l’Université Saint-Joseph de Beyrouth (Liban), début en novembre 2019, thèse en cours, soutenance prévue en 2022.
      12. Maël LE MARRE Évaluation du petit turbinage en Bretagne. Proposition de passage de pompes à bas coûts en turbines à forts coûts Doctorat de l’Université de Bretagne Sud, début en octobre 2019, thèse en cours, soutenance prévue en 2022.
      13. Jeanne LE LOEUFF Intensification par champs électriques pulsés de la lyophilisation et du séchage convectif des macroalgues en vue de leur bioraffinage Doctorat de l’Université Bretagne Sud, début en novembre 2019, thèse en cours, soutenance prévue en 2023.

Fig 1

Les travaux menés dans l’axe Energie & Systèmes (Fig. 1) concernent essentiellement le développement d’outils de détection et de diagnostic de défaillances dans les systèmes
(en particulier électromécaniques) afin de leur assurer un fonctionnement continu, efficace et sûr dans le cadre de leur contrôle/commande. Dans cet axe sont privilégiés les applications à base de ressources renouvelables tout particulièrement marines (éolien offshore, hydrolien/houlomoteur) ainsi qu’un volet véhicule électrique/hybride (Fig. 2).

Dans ce contexte, une attention toute particulière est portée sur :

Fig 2

– Le développement de contrôles/commandes résilients et robustes (Fig. 4)
Compte tenu des contextes scientifique et technologique actuel pour lesquels les exigences de fiabilités (réduction des coûts de maintenance, etc.), l’objectif final des travaux développées dans cet axe est d’élaborer pour des systèmes (chaînes de conversion d’énergie), à haute fiabilité (faible niveau intrinsèque de défaillances) et haute résilience (haute tolérance aux défaillances), des stratégies de surveillance pour une maintenance prédictive planifiable et des stratégies à même d’augmenter la résilience de la chaîne de conversion.

Fig 4

Fig 3

– Le développement de techniques de traitement de signal avancé pour la détection et le diagnostic de défaillances (Fig. 3);

Dans cet axe, l’expertise scientifique se situe dans la maîtrise des phénomènes qui résultent de diverses défaillances ou dégradations dans un système (plus particulièrement de conversion d’énergie). Cette expertise conjuguée avec la maîtrise des outils avancés de traitement du signal et du contrôle/commande permettent le développement d’outils de détection/diagnostic et de contrôle/commande très efficaces quant à la maintenance prédictive et la résilience des systèmes particulièrement en milieux hostiles (i.e. milieu marin).

L’axe Energie & Systèmes  dispose d’un certains nombre de plateformes expérimentales disponibles sur Brest (Figs. 5, 6,7 et 8).

Fig 5

Fig 6

Fig 7

Fig 8

Les travaux menés dans l’axe Matériaux et Systèmes en Usage, qui est conçu pour être un axe de recherche transverse au sein du PTR, concernent la mise en synergie des expertises des axes 1 et 2 pour l’étude de systèmes énergétiques et procédés en usage avec pour objectifs principaux :

  • Améliorer l’efficacité énergétique et la fiabilité
    Caractériser et prédire le comportement en usage

Les domaines d’applications sont :

  • l’isolation thermique et le stockage de la chaleur
  • stockage et conversion électrochimique de l’énergie électrique (Electrochemical engineering)

Partenariats

ANR – BETONCHANVRE (2007/2011) ; partenariat : 3 laboratoires et 3 industriels ; coordination LIMATB/ET2E.
FUI – « ISOFORCAR » (2011/2014) ; partenariat : 2 laboratoires, 3 PME-PMI ; coordination: Société GRUAU.
PHC Tassili – Partenariat université de Constantine et Bourmerdès (2007/2010).
PRIR – Eco Matériaux (2007/2010).

Thèses

Bezeid Deddy, Conception thermique d’une paroi complexe de datacentre pour une optimisation énergétique, 2012
Ali Chikhi, Étude du comportement thermo-hydrique de parois du bâtiment – Influence des effets de l’état hygrothermique et des propriétés thermo-physiques, thèse en cours
Dylan Lelièvre, Modélisation numérique du comportement hygro-thermique de matériaux poreux multi-couches exposés à des échanges surfaciques, 2015

Isolation thermique et stockage de la chaleur

Les méthodes utilisées aujourd’hui pour étudier et caractériser le comportement à court et à long termes des matériaux destinés à l’isolation et au stockage de la chaleur nécessitent d’être adaptées afin de répondre à l’utilisation croissante de nouveaux matériaux dits biosourcés et multi-fonctionnels (isolation, régulateur d’humidité, de température…).

Les travaux vont de la caractérisation macroscopique des matériaux à l’étude en usage de parois :

  • mesure de propriétés thermophysiques, hydriques,…
  • conception et mise en place d’expérimentations.
  • modélisation multiphysique pour la simulation du comportement thermo-hydrique de parois,
  • simulation thermique dynamique de bâtiment

Applications :

  • Matériaux bio-sourcés
  • Intégration de MCP
  • Isolation thermique par l’extérieur
  • Conception de parois isolantes pour chambre froide
  • Refroidissement par free cooling

Stockage et Conversion électrochimique de l’énergie électrique/ElectroChemical Engineering

Au sein de cette rubrique, retrouvez les 3 activités suivantes :

  • électrolyse pour production de dihydrogène
  • batteries au plomb pour stockage d’électricité
  • champs électro-pulsés pour éliminer des bactéries pathogènes

Electrolyse pour production de dihydrogène

ElectroChemical Engineering Multi-Physics and Multi Scale Modelling of Systems and elementary processes (transport and reactions)

Modélisation multi-physique multi-échelle.

Les systèmes électrochimiques comme les électrolyseurs, les batteries et les piles à combustible, impliquent de nombreux processus dynamiques, diphasiques, électriques, électrochimiques, chimiques et thermiques, tous couplés de façon forte.

Par ailleurs, les systèmes envisagés impliquent des dégagements gazeux (bulles), des porosités ou des particules : il est donc nécessaire d’avoir un regard à ces échelles des bulles et/ou des pores qui impliquent des modifications à l’échelle macroscopique, elle-même déterminante de la micro hydrodynamique ou de la chimie en fond de pore.

Mesures expérimentales

Les systèmes envisagés accueillent ou peuvent accueillir des propriétés hydrodynamiques qui cassent les hypothèses monodimensionnelles planes habituelles des stacks d’électrolyseurs, de batteries ou de piles à combustible.

En plus de l’approche de modélisation décrite ci-dessus nous développons une approche expérimentale à la fois électrochimique, hydrodynamique, diphasique, acoustique et thermique.

Batteries au plomb pour stockage d’électricité

Étude des batteries au plomb et de l’évolution de leurs performances avec le temps

Champs électro-pulsés pour éliminer des bactéries pathogènes

Traitement par champs électriques pulsés (CEP) des intrants de méthanisation

Ce projet de traitement d’intrants par champs électriques pulsés vise le monde de l’industrie et surtout les exploitations de méthanisation. Son but est de proposer une alternative aux traitements thermiques classiques comme la pasteurisation, destinés à détruire les bactéries pathogènes.

Les intrants de méthanisation sont des déchets organiques. Ils permettent de produire du biogaz et un résidu solide, le digestat. Ils proviennent du secteur agroalimentaire, agricole, des stations d’épuration et sont majoritairement des déchets verts, des excédents agricoles, des boues et graisses de collectivités. Ces matières sont contaminées par de micro-organismes pathogènes qui pourraient perturber les bactéries méthanogènes présentes dans le digesteur et recontaminer les champs où sont épandus les digestats. Il est donc nécessaire de les éliminer pour éliminer le risque sanitaire et améliorer la production de méthane.

Actuellement, la SEM LIGER basée à Locminé (56) dispose d’une unité de méthanisation dont les intrants sont traditionnellement traités thermiquement via un procédé batch, gros consommateur d’énergie et baissant le rendement de production.

L’utilisation de ce système lui permettra d’avoir un apport contrôlé continu, et sain, des intrants dans son processus de méthanisation. Elle disposera ainsi d’un système de production de méthane fiable avec un meilleur rendement.

L’université Bretagne Sud a la tâche de faire une étude incluant des besoins techniques en thermique, en génie de procédés, mais également en physique-chimie ainsi qu’en microbiologie. Ce travail est mené au sein de l’IUT de Lorient-Pontivy. La partie pratique est effectuée au sein de l’équipe de l’IRDL/PTR4 de Pontivy, spécialisée dans le génie des procédés et qui dispose du matériel nécessaire dans son centre de recherche. La partie modélisation est réalisée grâce aux savoir-faire en modélisation numérique multiphysique de l’antenne de Lorient. Elle est réalisée avec le logiciel ANSYS FLUENT et prend en compte des phénomènes électriques, thermiques, physiques, biologiques et chimiques.

Instituts Carnot AgriFood Transition

AgriFood Transition est une offre complète et complémentaire en AgriFood recherche et développement de l’alimentation durable pour la santé de l’homme et son environnement.