Optimisation des Systèmes Énergétiques

 

 

Cette opération de recherche émane d’un travail de recherche initié dans le cadre d’une thèse  soutenue en 2015 (thèse ADEME G. Segond). Depuis cette date, une opération de recherche transverse entre axes a été « activée » et fait intervenir des enseignants-chercheurs de deux axes distincts (Physique des Transferts et Ecoulement Compressibles) au sein du laboratoire IUSTI. Ce rapprochement entre collègues a pour objectif d’associer des compétences transverses, tant sur les aspects théoriques, expérimentaux et numériques, indispensables pour aborder des problématiques « systèmes ». Cette opération vise, en particulier, à optimiser des systèmes énergétiques au sens large, en prenant en compte à la fois les phénomènes de transferts de chaleur (convection naturelle ou forcée, conduction), de masse (ébullition, évaporation, condensation) ainsi que les phénomènes inhérents à l’existence d’écoulements compressibles ou non (pertes de charge, surpression,…). L’une des thématiques abordées est d’élaborer une méthodologie d’analyse pour identifier la stabilité ou les instabilités de fonctionnement pour des systèmes énergétiques soumis à une variabilité temporelle importante des ressources et des usages en énergie de nature et de qualité diverses. Cette méthodologie vise par exemple à sélectionner ou discriminer des comportements thermo-hydrauliques, des composants, des agencements de composants, ou encore des conditions de pilotage du système pour son efficience. La compréhension dégagée de cette analyse a, en partie, pour vocation à être transférée vers les énergéticiens de divers secteurs professionnels (bâtiment, industries …). Ce transfert pourra se présenter sous la forme d’outils de dimensionnement ou de régulation, exploitables par des hommes de terrain, et leur permettant d’assurer la robustesse des performances du système développé ou installé tout en répondant à l’usage avec ou sans contrainte.

Cette méthodologie spécifique a été initiée et mise en œuvre pour une application relative à la production d’eau chaude sanitaire (ECS), en réponse à un appel à projet de l’ADEME (2011-2015). Un des points du travail de thèse de G. Segond attenant à ce projet a été d’identifier les stratégies de pilotage du système énergétique pour assurer le besoin en ECS et la robustesse des performances indépendamment de la variabilité des conditions aux limites, que ce soit pour la ressource ou les besoins énergétiques. Ce dernier aspect est rarement traité dans la littérature et explique en partie les écarts de performance entre l’approche académique et la réalité du terrain. Pour répondre à cet objectif, divers outils expérimentaux, numériques et analytiques ont été développés. Entre autres, il a été conçu et mis en oeuvre un dispositif expérimental à l’échelle réelle pour les typologies de bâtiments allant de 5 à 20 logements. Une étude approfondie a été effectuée sur les phénomènes thermo-hydrauliques au sein du réservoir de stockage avec une mise en évidence des facteurs principaux de la dé-stratification induite par la configuration “multiinjection” du système (Segond et al., 2015). L’analyse des résultats a abouti à la proposition d’un outil simple de régulation et de dimensionnement assurant une robustesse et 30 % d’amélioration des performances par rapport aux systèmes équivalents de la littérature. Ces résultats proviennent d’une approche transversale entre la recherche des sciences de l’ingénieur et les enjeux industriels. Sur ce thème, un brevet (Launay et Segond, 2014) a été publié en 201 et deux en 2015 (Launay, 2015, Launay et Sarraf, 2015). Cette thématique a également permis de toucher du doigt certaines disciplines comme la sociologie des comportements. Il sera nécessaire de renforcer notre approche sur ces disciplines transverses avec des collaborations futures en sciences humaines et sociales.

Cette opération de recherche transverse renforce la cohérence entre les thématiques de recherche du laboratoire IUSTI avec celles de la formation promue dans le département de Mécanique Energétique de l’école d’ingénieur Polytech Marseille sur l’efficacité des systèmes énergétiques.

 

Projet :

Une opération de recherche transverse entre axes a été initiée depuis 2015 et fait intervenir des enseignants-chercheurs de 2 équipes distinctes au sein du laboratoire. Cette opération consiste à optimiser des systèmes énergétiques au sens large, en prenant en compte à la fois les phénomènes de transferts de chaleur (convection naturelle ou forcée, conduction), de masse (ébullition, évaporation, condensation) ainsi que les phénomènes inhérents à l’existence d’écoulements compressibles ou non (pertes de charge, surpression,…). L’une des thématiques abordées est d’élaborer une méthodologie d’optimisation de l’efficacité énergétique dans le domaine de l’Habitat, en Évaluation des entités de recherche prenant en compte des technologies liées aux énergies renouvelables (capteurs solaires photovoltaïques, thermiques, géothermie, stockage inter-saisonnier,…) mais également fossiles (gaz) et nucléaires (électricité). Cette étude tient compte en particulier de la disparité des usages et des besoins en termes de chauffage, d’eau chaude sanitaire, de production de froid, etc…

Mots-clés : systèmes énergétiques, intensification des transferts de chaleur et de masse, modélisation réduite, analyse de sensibilité, optimisation multi-critères

Participants :

• Permanents: Benjamin Kadoch, Olivier Le Metayer
• Doctorants:  Cédric Septet, Arnaud Lapertot
• Post-doctorants / ATER: Mathias Cuny

 

Publications récentes:

• S. Launay, B. Kadoch, O. Le Métayer, C. Parrado. Analysis strategy for multi-criteria optimization: Application to inter-seasonal solar heat storage for residential building needs, Energy, Volume 171, pages 419-434, 2019. (https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.12.181)
• G. Segond, S. Launay, L. Tadrist, Analyse des couplages thermo-hydrauliques d’un chauffe-eau thermodynamique et robustesse des performances énergétiques. Revue générale du froid et du conditionnement d’air, 1151, 2015.

 

Congrès:

• A. Lapertot, B. Kadoch & O. Le Metayer. Development of optimization methods for solar thermal systems. 1st Franco-AMSUD Energy and Environment Meeting, March 18-21 2018, Marseille (France).
• B. Kadoch, S. Launay & O. Le Métayer. Etude d’un système de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire basé sur la ressource solaire. 25ème Congrès Français de Thermique, 30 Mai – 2 Juin 2017, Marseille (France).

 

Thèses en cours:

• Cédric Septet. Intensification passive des transferts thermiques et gestion d’écoulement en double phase : Construction de surfaces  optimisées  appliquées aux échangeurs de chaleur. Début Mars 2016.
• Arnaud Lapertot. Elaboration d’une méthodologie d’optimisation dans les systèmes complexes. Application à l’efficacité énergétique dans l’habitat. Début Octobre 2018.

 

Thèses soutenues: 

Guillaume Segond. Etudes des couplages thermohydrauliques en regime variable d ’un système thermique avec stockage : application à la production d’eau chaude sanitaire a partir de la valorisation d ’une source de chaleur basse temperature (Studies of thermohydraulic couplings in variable regime of a thermal system with storage: application to the production of domestic hot water from the valuation of a low temperature heat source). Ph.D. thesis, 2015.  (http://www.theses.fr/2015AIXM4722).

 

Brevets :

• S. Launay, Dispositif et système de quantification d’énergie thermique utile disponible dans un réservoir, Brevet FR3019881, 16 Octobre 2015.
• S. Launay, K. Sarraf, Dispositif pour la transmission d’énergie cinétique d’un fluide moteur à un fluide récepteur, Provisional Patent, N° de soumission 1000279501, 13 février 2015.
• S. Launay, G. Segond, Dispositif distributeur de fluide à voies d’entrée/sortie fluidique multiples reconfigurables, Provisional Patent, N° de soumission 1455556, 17 juin 2014.