Mastère Nouvelles Technologies de l'Energie

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The english ans Soft skills programme consist of 4 specific assiggnments per semester designed to develop language, communication and human skills for professional purpose.

INDIVIVIDUAL SCIENTIFIC PRESENTATIONS

Objective :to further develop and improve professional communication skills

including:

• ·how to structure a presentation
• ·how to find ONE message that has impact for your audience
• ·how to create a storyboard and design simple and high impact slides
• ·how to connect with your audience by learning the importance of body language
• ·how to adapt a presentation to different audiences
• ·how to speak in “conversation” mode rather than “presentation” modePresentation input & teaching

Structuring a presentation and finding ONE clear message for the audience

Creating a storyboard and designing high impact slides

Body language & connecting with your audience

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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.

Les journées thématiques :

Les enjeux de la transition énergétique : Stephan Astier Professeur émérite

Histoire de l’Electrochimie : Maurice Comta professeur émérite

Le nucléaire : Christian Latgé, CEA -  Cadarache Nuclear Research Centre

Le CO2 : Jean-Yves Rossignol,  ingénieur-conseil AJYR, agrément Ademe Bilan Carbone 2006®

L’Habitat :  Gael Farigoules, Ingénieur INSA, Bureau d’Etude : SCOP ECOZIMUT

Economie : Luc  Rouge  Professeur d'Economie Toulouse Business School

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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• Conception et Analyse de Procédés Durables

-       Formulation du problème

-       Métrique de Développement Durable

-       Critères techniques, énergétiques, environnementaux, sociaux

• Optimisation d’un procédé dans un simulateur modulaire

-       La conception des procédés assistée par ordinateur

-       Qu’est-ce qu’un simulateur de procédés ?

-       Modélisation et simulation d’un procédé - Approche modulaire séquentielle

-       Conception d’un procédé - Approche modulaire simultanée

-       Application à l’optimisation d’un procédé

-        

• Modélisation et optimisation de chaînes logistiques « énergie »

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

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

• Modélisation et optimisation d’un écoparc industriel

-       Comprendre les enjeux de la mise en œuvre d’une politique d’écologie industrielle (mutualisation énergie-eau) dans un contexte d’économie circulaire

-Analyser les flux de matières et d’énergies entre les entités de l’écoparc

-Illustration dans un bureau d’études de conception des échanges au sein d’un écoparc via une optimisation multiobjectif (critère environnemental et critère économique) et analyse des solutions obtenues.

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Part A : concepts théoriques de base des Bond Graphs

concepts généraux pour la modélisation pour les systèmes énergétiques multiphysiques ;

Eléments et composants de base des Bond-Graphs ;

Construction de Bond Graphs en électricité, mécanique and hydraulique ;

Exemples multidisciplinaires: EHA (Electro-Hydraulic Actuator), Générateur Photovoltaïque

Propriétés Causales des Bond Graphs : sens physique des couplages énergétiques, vision mathématique et Automatique ;

Du Bond Graph causal à l’analyse des sytèmes : établissement formalisé d’une fonction de transfert à partir des chemins causaux

Part B. Applications : le Bond Graph en “electrical engineering”

Modèle à granularité variable de cellules de commutation et de convertisseurs statiques en électronique de puissance

Modèles pour la conversion électromécanique (machines électriques)

Exemples de systèmes en electrical engineering : systèmes hybrides à énergies renouvelables

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Introduction : de l’écobilan à l’ACV, les normes ISO 14040

•             Principe Général de l’ACV

•             Présentation des quatre étapes de l’ACV :

1-Définition des objectifs du système :

Objectif et champ de l’étude ;

Fonction du produit ou du système ;

Unité fonctionnelle et flux de références ;

Arbre des processus ;

Exemples d’application ;

2-  Inventaire des émissions et extractions

Base de données d’inventaire (ex. EcoInvent…)

Exemple d’inventaire des extractions et émissions (fabrication d’alumine …)

Méthode de calcul de l’inventaire des extractions et émissions

Bilan énergétique et bilan de CO2

3- Analyse de l’impact environnemental

Méthode d’interprétation des données d’inventaire

Caractérisation intermédiaire : calcul du score d’impact intermédiaire

Caractérisation des dommages : calcul du score de caractérisation de dommages

4- Interprétation

•             Méthodologie de réalisation d’une ACV : Approche itérative (Evaluation préliminaire ou screening, Analyse détaillée), calcul « à la main », présentation sommaire des logiciels de calculs existants.

Programme et contenu du Bureau d’étude :

• Réalisation d’une analyse de cycle de vie de panneaux solaires photovoltaïques, utilisation du logiciel SimaPro

Présentation des résultats sous forme de rapport et d’exposé oral

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L’objectif de ce cours est de présenter des méthodes d’optimisation multiobjectif et d’aide à la décision pour la résolution d’un problème, en vue de sélectionner une solution de compromis parmi une multitude de solutions possibles.

Principes des méthodes d’optimisation multiobjectif 

Classification des différentes méthodes : méthodes scalaires, interactives, « floues », méthodes à base de métaheuristiques, méthodes d’aide à la décision ;

Présentation des méthodes scalaires et illustration à travers la résolution de problèmes analytiques simples ;

Intérêt et principes des méthodes à base de métaheuristiques : algorithmes génétiques multi-objectifs ;

Présentation des méthodes d’aide à la décision : relation d’ordre, relation d’équivalence, relation de préférence, définition d’un critère. Illustration à travers la méthode TOPSIS (Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution) ;

Etude de cas en bureau d’études: cogéneration chaleur-électricité par une turbine à gaz : formulation du problème,  optimisation multi-objectif et aide à la décision sur la base de critères techniques, économiques et environnementaux.

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1. Sécurité et fiabilité

• Concepts liés (ségrégation défaut, reconfiguration, réseau de secours, ...)
• Exemple d’un réseau aéronautique

2. Profil de mission à remplir

• Intérêt de l’hybridation des sources afin d’optimiser leur utilisation
• Utilisation du plan de Ragone dans le dimensionnement d’éléments de stockage

3. Qualité (réseau AC et DC)

• Définition des normes de qualité (courant, tension)
• Solutions d’amélioration de la qualité

4. Stabilité (réseau AC et DC)

• Structure et fonctionnement des réseaux électriques AC
• Principes des réglages de fréquence et de tension sur les réseaux (primaire, secondaire, …)
• Limitation de puissance des lignes de transport
• Instabilité liée aux interactions filtres-systèmes régulés

5. Problèmes CEM

• Types de couplage
• Mesures des perturbations et moyens de protection
• Enjeux de la CEM pour les réseaux électriques
• Problématique de la foudre

6. Étude des installations PV raccordées au réseau de distribution

• Définitions des appareillages électriques et des classes de protection
• Schéma de liaison à la terre en BT
• Parafoudres
• Étude d’exemples de schéma d’installations

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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).

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1) Introduction sur les potentialités des piles à combustible et de l'hydrogène

2) Eléments de caractérisation et de modélisation sur les piles à combustible et les électrolyseurs (focus sur la technologie PEM)

   2.1) Principe de fonctionnement et constitution

   2.2) Composant idéal: considérations thermodynamiques

   2.3) Composant réel: prise en compte des phénomènes physico-chimiques irréversibles

   2.4) Modélisation dynamique par analogies électriques

   2.5) Caractérisations expérimentales: courbe de polarisation, échelons de courant, spectroscopie d'impédance

   2.6) Interactions piles à combustible/ convertisseurs DC/DC (boost et buck)

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

Evaluer deux méthodologies complémentaires de caractérisation expérimentale :

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. Emergence des smart grids : évolution et contexte

1. Fonctionnement actuel des réseaux électriques: rappels

2. Des réseaux électriques en pleine mutation

3. Emergence du concept de smart grids

4. Principaux verrous des smart grids

II. Les services systèmes et services au réseau

1. Rappel des principes de réglage des producteurs et des réseaux électriques actuels

2. Les services réseaux et systèmes

    - dans les réseaux continentaux

    - dans les réseaux insulaires

III. Nouveaux degrés de liberté :

1. Le stockage, pour compenser l’intermittence de production, consommation

2. L’intégration de la mobilité électrique: concept vehicle to grid (V2G) ; grid to vehicle (G2V)

3. Les outils de prédictions pour la production (vent, irradiation) et la consommation

4. Concepts de base pour la gestion des réseaux de distribution (GRD)

5. Nouveaux concepts pour la gestion des réseaux de transport (GRT): lignes virtuelles 

IV. Les mécanismes de marchés et de régulation  (en bref)

V. Nécessité d’une vision technico économique 

VI. Les smart grids « démarrent » dans les réseaux insulaires

VII Les microréseaux, smart home, compteur communicant

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1. Historique, contexte, marchés de l’aérogénération électrique éolienne. Principaux acteurs du marché ; éléments de développement et de frein à l’expansion de la filière. Eléments de coûts et de développement d’un parc éolien.
2. Caractérisation de la ressource éolienne (le vent), effets d’altitude et de sillage, éléments théoriques (limite de Betz) sur le productible éolien et sur l’efficacité énergétique des aérogénérateurs ;  du contrôle mécanique par réglage des pâles aux zones de fonctionnement du démarrage à l’arrêt en sécurité.
3. Constitution des aérogénérateurs électriques : nacelles avec et sans multiplicateur de vitesse ;
4. éléments de conception des chaines éoliennes selon leur taille et leur technologie ; mini TD ;
5. Analyse transitoire et réglage stable du point de fonctionnement dans le plan couple vitesse ;

Principales architectures de conversion de puissance des chaines asynchrones et synchrones respectivement avec et sans multiplicateur, avec et sans électronique de puissance ;

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Introduction sur les biocarburants :

• Définition, les grandes familles, classification et Propriétés
• Situation Mondiale, Européenne, Française
• Bilans Environnementaux et Economique
• Législation et ouverture sur l’emploi

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

Evaluation :

Projet bibliographique par groupe autour d’une problématique spécifique des biocombustibles tels que : la réduction des GES et autres polluants pour le bioéthanol, l’utilisation des terres agricoles pour la production de bioéthanol, le biodiesel produit à partir du procédé HVO, la compréhension des différents critères énergétique pour les carburants appliqué au bioéthanol de blé et au biodiésel de colza, le biogaz : quelle utilisation ? pour quelles raisons ?

Présentation des résultats sous forme de présentation orale

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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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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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