Semestre 9 - Parcours EcoEnergie (EE)

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Le cours consiste à introduire l’approche de modélisation par l’outil Bond Graph. Il s’agit d’une approche multi-physique permettant de modéliser, sous le même langage, différents phénomènes physiques et de prendre en compte les divers couplages entre les composants d’un système. Cette approche est appliquée dans ce cours à différents exemples de systèmes multi-flux et multi-physiques.

Le cours est complété par un bureau d’étude qui consiste à modéliser un actionneur électro-hydrostatique (EHA) d’un avion A320 par l’approche Bond Graph et à remplacer la source d’alimentation de cet EHA par une pile à combustible hybridée par des super condensateurs.

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1.Conception et Analyse de Procédés et Systèmes Énergétiques Intégrant des Critères de Développement Durable

 Formulation du problème : Identifier les enjeux et les objectifs de conception des systèmes énergétiques en tenant compte des critères de développement durable.

• Métriques de Développement Durable : Comprendre les indicateurs clés pour évaluer la durabilité des systèmes énergétiques, en intégrant des dimensions économiques, environnementales et sociales
• Formulation de critères économiques pertinents pour les systèmes énergétiques (concept de LCOE) : Savoir appliquer des critères économiques, tels que le LCOE (Levelized Cost of Energy)

2. Introduction à l’écococonception l’ACV

Principes fondamentaux et cadre normatif (ISO 14040/44)

Intérêt de l’ACV pour les systèmes énergétiques

3. Méthodologie et Étapes de l’ACV

Définition des objectifs et du champ de l’étude

Définition des objectifs et du périmètre

Fonction du produit ou du système

Unité fonctionnelle et flux de référence

Arbre des processus et exemples d’application

Inventaire des émissions et des extractions

Méthode de réalisation d’un inventaire

Bases de données d’inventaire (ex. : EcoInvent)

Analyse des impacts environnementaux

Méthodes de caractérisation des impacts

Catégories d’impacts et indicateurs clés

Interprétation et analyse critique des résultats

Influence des choix de modélisation sur les résultats

Identification des limites et des incertitudes

Comparaison de scénarios et recommandations

Identification des principaux enjeux environnementaux liés aux technologies énergétiques actuelles et émergentes

Analyse des bénéfices environnementaux liés à l’intégration des systèmes énergétiques sur l’ensemble de la chaîne de valeur

Programme et contenu du Bureau d’étude :

1.       Mise en œuvre d’une analyse de cycle de vie appliquée à un système énergétique (ex. : panneaux photovoltaïques, éoliennes)

2.       Utilisation du logiciel SimaPro pour la modélisation et l’évaluation des impacts environnementaux

3.       Restitution des résultats sous forme d’un rapport écrit respectant le cadre de l’ACV et d’une présentation orale

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• Modélisation et optimisation de chaînes logistiques « énergie »

-       Principes de modélisation d’une chaîne logistique « énergie »

-       Classification des modèles énergétiques : modèles descendantes (top-down), ascendantes (bottom-up) et hybrides

-       Prise en compte de l’aspect multicritère

• Illustration dans un bureau d’études de conception d’une chaîne « hydrogène »

Utilisation d’un modèle existant

Analyse de scenarios de déploiement (production centralisée / décentralisée)

Calcul de LCOE, du potentiel de réchauffement climatique

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- Identification des problèmes d'optimisation multi-objectifs : Exemples de décisions et de critères dans l'optimisation des systèmes énergétiques.

-  Présentation des principales méthodes d'optimisation multi-objectifs : Introduction aux approches d'optimisation et d'aide à la décision adaptées aux systèmes énergétiques.

- Identification des stratégies d'optimisation pertinentes : Sélection des approches appropriées en fonction des spécificités d'un problème donné.

-  Formulation des critères d'optimisation : Définition des critères techniques, économiques et environnementaux pour l'optimisation des systèmes énergétiques.

-  Étude de cas en bureau d'études : Analyse d'un système de cogénération chaleur-électricité par une turbine à gaz, avec formulation du problème, optimisation multi-objectifs et prise de décision basée sur des critères techniques, économiques et environnementaux.

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À l’issue de ce module, les étudiants connaitront les éléments à prendre en compte lors du dimensionnement d’un réseau embarqué, comme les problématiques de qualité et stabilité, l’apport de l’hybridation, la sécurité et la fiabilité et la CEM.

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En plus des théories relatives à l'hybridation et à la gestion d'énergie des systèmes multi-sources, le cours est basé sur plusieurs exemples de systèmes énergétiques hybrides issus du retour d'expérience du laboratoire Laplace dans ce domaine de recherche. Ces exemples concernent en particulier le domaine de transport (l'aéronautique, le ferroviaire et le routier).

In addition to the hybridization theorie and the energy management of multi-source systems, the course is based on several examples of hybrid energy systems from the Laplace laboratory experience feedback. These examples relate in particular to the transport field (aeronautics, rail and road).

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les réseaux électriques intelligents plus communément nommés ‘’smart grids’’ se situent pleinement dans le contexte de la transition énergétique. L’électrification massive constitue une voie privilégiée vers la nécessaire décarbonation du paysage. Après la mécanisation et l’informatique (internet), les smart grids sont considérés comme la 3eme révolution industrielle, de par le fait qu’ils constituent le maillon essentiel pour favoriser l’équilibrage production consommation d’électricité qui deviendra de plus en plus précaire au fur et à mesure de l’intégration massive d’énergies renouvelables intermittentes (solaire, éolien). Les smart grids se définissent par l’idée d’intégrer infrastructure électrique (énergie) les Technologies de l’Information et de la Communication, ceci afin d’apporter la flexibilité nécessaire pour résoudre ce problème d’équilibrage de puissance dans des conditions fiables (résilientes aux défauts, cyberattaques,…) et pour un cout acceptable par les consommateurs.

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Ce module traite de la production d'hydrogène à faibles émissions de carbone par électrolyse. Il commence par donner un aperçu du marché de l'hydrogène et des procédés de production conventionnels. Il étudie ensuite les différentes technologies d'électrolyse, ainsi que leur modélisation et leurs caractéristiques opérationnelles. Le cours aborde les stratégies d'alimentation électrique, la gestion des auxiliaires et les contraintes de fonctionnement. La dernière partie est consacrée à l'analyse technico-économique du coût de l'hydrogène vert.

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- Introduction et concepts de base (rappels)

- Stockage de l’hydrogène sous forme gazeuse

- Stockage de l’hydrogène sous forme liquide (LH2)

- Stockage solide de l’hydrogène par absorption (Hydrures)

-Stockage solide de l’hydrogène par adsorption (adsorbants)

- Stockage de l’hydrogène dans les liquides organiques (LOHC)

- Stockage de l’hydrogène dans le sous-sol

- Risques associés à l’hydrogène

- Ouverture sur le mode de la recherche (technologies en rupture)

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Le bureau d’étude et de recherche est axé sur la pile à combustible et consiste en :

Evaluer deux méthodologies complémentaires de caractérisation expérimentale :

• • Tracé dynamique de courbe tension-courant.
  • Spectroscopie d’impédance.

Paramétrer un modèle dynamique de pile PEM à partir de ces caractérisations expérimentales effectuées.

Evaluer le comportement dynamique de la pile PEM face à des perturbations générées par la connexion de convertisseurs statiques.

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• Introduction : Grandeurs mesurables dans une chaîne électrochimique. Deux siècles de développement de l’électrochimie.
•  Les chaînes électrochimiques à l’équilibre. Force électromotrice. Potentiel d’électrode. Loi de Nernst. Générateurs primaires, secondaires, piles à combustible. Capacité, rendement.
•  Les chaînes électrochimiques traversées par un courant : Transfert électronique hétérogène. Couplage du transfert électronique hétérogène et des phénomènes de transport en solution. Les divers régimes cinétiques. Loi de Butler-Volmer. Intensité limite
•  Applications à la mise au point de procédés électrochimiques de synthèse. Applications à la corrosion. Applications à l’étude du fonctionnement des générateurs (charge, décharge).
• Aperçu sur les diverses méthodes électrochimiques. Potentiostat.

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I L’énergie solaire : contexte et généralités

II La conversion photovoltaïque :

            Le rayonnement dans l’espace, sur Terre, masse atmosphérique

            Principes physiques, cellule à jonction PN, caractéristique, influence éclairement et T

            Matériaux et technologies des cellules photovoltaïques

III De la cellule au générateur photovoltaïque, modularité

Associations de cellules, mise en série, en parallèle, déséquilibres et protections

Modélisation, simulation, commande MPPT

IV Systèmes photovoltaïques

            Problématique, architectures, gestion de l’énergie (raccordé, isolé, stockage, …)

            Production énergétique, gisement solaire, caractérisation, dimensionnement, ACV

            Systèmes raccordés au réseau

            Systèmes autonomes non raccordés

V Calculs économiques : taux d’actualisation, inflation, TRI, LCOE, …

Les mécanismes d’aides : tarifs de rachat, compléments de rémunération.

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L’hydroélectricité : différents types d’ouvrages

Les barrages, leur classement et leur surveillance

Les différentes turbines et le choix en fonction des caractéristiques de l’ouvrage

L'hydrologie d'un aménagement, les ouvrages de prise d'eau, d'amenée et de restitution, les turbines et la puissance disponible, les impacts environnementaux et leurs mesures de réduction. Réglementation à appliquer.

Organisation et législation de la production hydraulique en France, contrats d’obligation d’achat

Prédimensionnement technico-économique d’une centrale (BE

Visite du site de production EDF Bazacle

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Introduction sur les biocarburants :

Filière bioéthanol 1ère génération:

- Propriétés et utilisations de l’éthanol carburant

- Procédé de production par filière : Schéma général, fermentation, préparation des matières premières, séparation de l’éthanol, perspectives d’amélioration

- Bilans énergétique et environnemental

- Développement de la filière (France, Europe, Monde)

Le biodiesel :

- Données générales : Physico-chimie, normes, rappel sur les production mondiales et européennes, sites de productions

- les matières premières et leur préparation.

Chimie et procédés, catalyse basique (Lurgi), hétérogène (EsterFIP), ouverture vers procédé HVO  

Le biogaz :

- Généralités et Production : Biogaz, GNV, Biogaz-carburant

- Transformations biologiques et Procédés

- Bilans environnementaux et économique en comparaison des autres utilisations

Les systèmes énergétiques biocatalysés: biopiles et électrolyseurs microbiens

• Contexte historique : de la recherche à la réalité économique pour des marchés de niche
• Deux familles de biopiles:
  • Les piles microbiennes
  • Les piles enzymatiques
• Production d’hydrogène par électrolyse microbienne

Le rôle de la recherche dans la production et l’utilisation du bioéthanol et du biodiesel, en relation avec les aspects énergétiques et environnementaux

• Introduction sur les enjeux des filières biocarburants
• Le rôle de la recherche pour la production de bioéthanol 
• Les biocarburants « deuxième génération »
• Innovation dans le domaine des procédés de production
• Concept de bioraffineries
• Le rôle de la recherche pour la production de biodiesel 
• Innovation en matière de raffinage et de transformation des huiles végétales
• Diversification des matières premières
• Adéquation entre motorisation et carburants oxygénés
• Bilans énergétiques et environnementaux

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- Problématique politique/économique/sociale/stratégique
       - nouvelles énergies
       - énergie renouvelable
       - avenir des énergies fossiles ?
       - énergie "propre" (cycle du CO2)
       - indépendance énergétique
- les voies de valorisation de la biomasse
       - pyrolyse lente basse T : bio -> liquide
       - pyrolyse rapide haute T : bio -> gaz+charbon
       - pyrolyse très haute température : bio -> gaz
- Généralités sur les procédés de conversion
       - Aspect technologique
       - filières (gaz, liquide, bases carburants, ...)
       - exemples de procédés

- Phénoménologie de la conversion de la biomasse

       - définition de la biomasse

       - les réactions, généralités

               - espèces mises en jeu

               - enthalpies de réaction => endothermicité => problématique de l'apport de la chaleur (combustion d'un résidu ou apport externe par combustion ou électrique)

- la pyrolyse et la vapogazéification à haute température

       - espèces mises en jeu

       - les réactions, détails

       - la thermo

       - comparaison aux résultats expérimentaux

       - la cinétique

              - la catalyse

       - bilan énergétique

- les réacteurs à lit fluidisé pour la mise en œuvre de la vapogazeification de la biomasse

            - introduction a la fluidisation

            - description des différentes approches de modélisation

                        - l'approche corrélative GC

                        - l'approche locale CFD

            - résumé des corrélations essentielles pour le prédimensionnement des réacteurs a lits fluidises

            - méthode de prédimensionnement des réacteurs

BER : exemple sur un procédé de conversion du bois en gaz

- description générale

- bilan enthalpique

- prédimensionnement des zones réactionnelles

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1. Introduction à la chaleur renouvelable

1.1. Définition et enjeux de la chaleur renouvelable
1.2. Bilan énergétique et part de la chaleur dans la consommation finale
1.3. Politiques et réglementations (européennes, françaises)
1.4. Comparaison avec les sources conventionnelles de chaleur

2. Les ressources de chaleur renouvelable

2.1. Solaire thermique

2.2. Biomasse et bioénergies thermiques

2.3. Géothermie

2.4. Chaleur fatale et récupération d’énergie

3. Évaluation technico-économique et impact environnemental

4. Études de cas et applications industrielles

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Au-delà des enseignements sur les énergies renouvelables (Photovoltaïque, éolien, biogaz,…), au cœur de notre formation Nouvelles Technologies de l’Energie, nous souhaitons donner aux étudiants une vision élargie des problématiques et enjeux de l’énergie. Pour cela nous faisons appel à des industriels spécialistes des différents domaines. Ils interviennent une journée ou une demi-journée, les étudiants font un résumé de l’intervention qui est évalué.

Exemples de journées thématiques :

JT : Enjeux de la transition énergétique : ASTIER Stephan, Professeur émérite, Toulouse INP

JT : PV :  CAUSSAT-BONNANS Brigitte

JT : Piles microbiennes

BASSEGUY Regine

JT : Piles microbiennes

BASSEGUY Regine, CNRS

JT : Procédés de Capture CO2

ALIX Pascal, IFPEN

JT : Energie Nucléaire

LATGE Christian, CEA

JT : Acceptabilité sociétale des énergies renouvelables

VERVIER Philippe Acceptable Avenirs

JT : Ecologie Industrielle

Marianne Boix, Ludovic Montastruc

JT : Aspect économique de l'énergie

LAFFORGUE Gilles, Toulouse Business School

JT : Analyse économique du marché de l’électricité

LEROYER Yoanne, Communauté de communes du Pays Basque

JT : Biogaz

PRIAROLLO Jeremie, Solagro

JT : Habitats

CAPITAINE Loic, Ecozimut

Nous effectuons également des visites de sites industriels pour illustrer les différents enseignements

Site de production Eolien Photovoltaïque Ville franche de Lauragais

Site de production hydroélectricité Le Bazacle Toulouse

Plateforme Smart ZAE SCLE INEO démonstrateur smart grids

Site de traitement des déchets et production biogaz Clerverts , Organic’Vallée

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