Les 4 thématiques
Le projet e.sense s’articule autour de quatre thématiques complémentaires, pensées pour répondre aux enjeux énergétiques de demain
Sciences du stockage
Optimiser le stockage de l’énergie pour répondre aux besoins croissants de nos sociétés.
Dans un contexte d’électrification croissante, l’optimisation de l’utilisation de l’énergie devient un enjeu majeur. Cette tendance se traduit par une augmentation significative de la demande en dispositifs de stockage répondant aux exigences de la situation actuelle. Cependant, leur production soulève des problématiques d’approvisionnement en ressources et de maîtrise des coûts. Il est donc essentiel de développer des dispositifs mieux adaptés aux besoins actuels et futurs, tout en renforçant les infrastructures de stockage existantes. Dans cette optique, nous mettons en synergie les compétences de nos partenaires et des chercheurs de l’Alliance A2U pour apporter des réponses concrètes aux enjeux du stockage de l’énergie
pour les rendre plus efficaces sur le plan énergétique
Le stockage électrochimique
Les batteries actuelles dépendent largement de ressources minérales non renouvelables, telles que le lithium, le nickel et le cobalt, dont l’exploitation et le recyclage présentent des impacts énergétiques et environnementaux élevés. La disponibilité limitée de ces matériaux et leur répartition géographique inégale entraînent de fortes variations de prix, des tensions géopolitiques et des risques de pénurie.
Dans ce contexte, les tensions sur les prix des batteries devraient perdurer à court terme.
Il est donc essentiel d’anticiper ces situations :
En explorant de nouvelles réactivités et chimies et proposer des solutions alternatives
pour remplacer des matériaux importants obtenus à partir des matières premières les plus critiques (ou qui le deviendront si la quantité requise augmente) tout en préservant les performances et en évitant d'étendre davantage notre empreinte environnementale.
En développant de nouveaux procédés de fabrication
(traitement à sec, électrode sans solvant, synthèse de matériaux à faible énergie,) pour les technologies actuelles. Créer des techniques d'impression 3D pour ajuster la taille et la forme de l'assemblage par exemple.
En développant des outils intuitifs et simples
pour comprendre et prédire la réactivité des composants des batteries et pour estimer leur impact écologique, leur consommation d'énergie et l'impact des coûts depuis la matière première jusqu'au recyclage du système de stockage.
Stockage de l’hydrogène
Le stockage solide de l’hydrogène (c’est-à-dire par la formation d’hydrures métalliques ou complexes) est une méthode de choix pour les utilisations pour lesquelles la compacité et la sécurité sont des paramètres cruciaux et est particulièrement adaptée à la production locale (lien avec la photocatalyse, WP1).
Cette approche trouve des applications variées, allant des usages courants, comme la production d’eau chaude grâce à la chaleur solaire, aux applications plus techniques, comme l’amélioration du rendement des panneaux photovoltaïques, la gestion thermique des composants électroniques, le contrôle de la température des batteries ou le maintien en condition d’équipements.
Cependant, ils souffrent encore d’inconvénients tels que de faibles capacités de stockage gravimétrique, des températures de fonctionnement élevées ou une mauvaise réversibilité. Ainsi, dans la lignée du PEPR H2 , des recherches sont encore nécessaires pour le développement d’hydrures utilisés comme matériaux de stockage réversible de l’hydrogène à proximité des conditions ambiantes.
Les moyens d’explorer le sujet dans E-SENSE comprennent :
Utilisation des méthodes originales de modélisation et de calcul
comme CALPHAD ou le MachineLearning (en lien avec le PIA MAIA, coordonné par l'Université d'Artois) pour explorer de nombreuses compositions différentes et guider la synthèse de nouveaux matériaux.
Découverte de nouveaux matériaux de stockage de l'hydrogène
(basés sur des éléments abondants et peu coûteux, des polyols bio-sourcés par exemple ou des composés à base d'azote) ayant une capacité de stockage gravimétrique supérieure à 3 % en poids à des températures inférieures à 100°C et une capacité de stockage volumétrique supérieure à 70 gH2 /L (c'est-à-dire supérieure à l'H comprimé2 à 700 bars ou à l'H cryogénique2 à 20 K).
L’énergie thermique
Dans un contexte de sobriété énergétique et d’augmentation des coûts énergétiques, la récupération de l’énergie fatale (perte d’énergie lors de la transformation énergétique) devient critique.
Cette approche est illustrée par la récupération de la chaleur du soleil pour chauffer l’eau pour notre usage quotidien mais elle a aussi des applications moins connues comme l’amélioration des performances des systèmes photovoltaïques qui perdent de leur efficacité lorsqu’ils chauffent, empêcher les composants électroniques de surchauffer, éviter de dépasser les limites de température des batteries lors de leur recharge, maintenir des températures minimales des équipements lorsqu’ils ne sont pas utilisés, etc.
Ces systèmes reposent généralement sur des matériaux à changement de phase (MCP) organiques, tels que les paraffines issues de la chimie pétrolière. Toutefois, des alternatives plus respectueuses de l’environnement, comme les acides gras (matériaux biosourcés) ou les sels hydratés (MCP inorganiques), présentent un intérêt croissant, malgré des comportements thermiques complexes (surfusion, recalescence, transitions multiples).
Le stockage latent, permettant une densité énergétique supérieure au stockage sensible, reste encore peu mature pour un déploiement à grande échelle. Le projet e.sense et ses partenaires visent ainsi à mieux caractériser les propriétés thermophysiques des MCP afin de maîtriser leur comportement thermique et de concevoir des solutions de stockage adaptées aux besoins applicatifs.
Usages courants et nouveaux
Allier technologie et besoins de la société
Des transformations structurelles de nos modes de vie sont nécessaires pour tendre vers une sobriété énergétique et environnementale dans nos consommations tout en maintenant des services de qualité pour les usagers. Toutefois, leur déploiement sera nécessairement progressif.
Des actions à court et moyen terme pourraient être envisagées pour réduire notre dépendance énergétique, grâce à l’optimisation des différents usages de l’énergie : gestion (mix énergétique, arbitrage, stockage, adaptabilité, anticipation), dimensionnement, efficacité énergétique, comportement des consommateurs et interconnexion des différents acteurs.
Les réponses scientifiques et techniques sont avant tout des solutions sociales et politiques, dans le sens d’une redéfinition des visions du monde, des moyens pour les réaliser et des conditions sociales pour y parvenir. Les usages efficaces de l’énergie (coordination, anticipation, contrôle) sont donc essentiels pour répondre à nos besoins, aux enjeux socio-économiques et pour limiter nos charges énergétiques et nos émissions environnementales afin d’atteindre les objectifs gouvernementaux.
Intelligence artificielle, mix énergétique et sobriété pour l’efficacité du bâtiment
Le contrôle intelligent des équipements thermiques et de ventilation est une préoccupation essentielle de l’évolution vers la construction de logements de type « zéro énergie ». Les interactions entre ces systèmes et l’enveloppe du bâtiment constituent un enjeu scientifique et technique prioritaire : des avancées pourraient permettre de réduire la consommation énergétique des bâtiments.
Néanmoins, des efforts soutenus doivent être faits pour atteindre la sobriété énergétique en favorisant le mix énergétique et en limitant l’impact sur le réseau énergétique, tout en maintenant un niveau de prestation adéquat. En plus de l’attention portée à la conception efficace des bâtiments, il semble nécessaire de limiter la demande énergétique des bâtiments, par l’autoconsommation, pour diminuer la charge sur le réseau électrique, selon une approche holistique qui considère tous les autres usages de l’énergie. Elle va au-delà du contrôle automatisé, voire intelligent, des équipements thermiques des bâtiments et tend vers l’optimisation des usages de l’énergie, en s’appuyant sur les spécificités techniques potentiellement apportées par les évolutions techniques dans l’acte de construire et d’exploiter les bâtiments, sur la diversité des sources d’énergie et la disponibilité de l’énergie, et sur l’acceptabilité sociale de nos changements de modes de vie.
Dans le cadre du projet les axes de recherche suivants sont étudiés :
L'optimisation de la performance énergétique des bâtiments et leur efficacité énergétique
et plus particulièrement le développement de matériaux géo-sourcés à faible impact environnemental et l'interaction entre la réponse hygrothermique de l'enveloppe du bâtiment et la gestion centralisée et intelligente des équipements thermiques
Assurer une fourniture adéquate d'énergie
grâce à la prédiction des besoins et de la production. Outre ces objectifs spécifiques, les impacts environnementaux doivent être évalués afin d'orienter les maîtres d'ouvrage vers des solutions plus propres, à la suite d'analyses holistiques multicritères, dans lesquelles les utilisateurs sont sensibilisés à ces nouveaux modes de consommation, plus respectueux de l'environnement.
Promouvoir l'autoconsommation dans les mix énergétiques
grâce à la prédiction des besoins et de la production. Outre ces objectifs spécifiques, les impacts environnementaux doivent être évalués afin d'orienter les maîtres d'ouvrage vers des solutions plus propres, à la suite d'analyses holistiques multicritères, dans lesquelles les utilisateurs sont sensibilisés à ces nouveaux modes de consommation, plus respectueux de l'environnement.
Territoires intelligents et mobilité durable
La mobilité connaît une révolution électrique : voitures, scooters, vélos sont tous concernés. Entre 6 et 10 millions de véhicules électriques à quatre roues devraient être en circulation
en France d’ici 2030.
Cela représente des millions de connexions avec un large impact sur le réseau tout au long de l’année.
Pour que le réseau reste fiable, les infrastructures de recharge pour véhicules électriques devront anticiper les besoins en puissance et en énergie, optimiser le délestage en cas de saturation du réseau et prévoir une répartition intelligente de la charge.
En ce sens, et pour contribuer au développement de la mobilité électrique, les études d’impact sur l’intégration de la mobilité électrique dans un système de distribution électrique urbain sont une priorité, tout comme la mise en place d’un système de gestion et de suivi dynamique de l’ensemble des infrastructures de charge des véhicules électriques.
Par ailleurs, l’optimisation énergétique de l’électro-mobilité au sens large du terme passe également par l’optimisation de la chaîne de traction électrique, du stockage de l’énergie à son utilisation par le convertisseur électromécanique.
Ce dernier devra utiliser des matériaux magnétiques et isolants innovants, mis en œuvre dans des topologies adaptées pour atteindre les objectifs de haute performance énergétique et de fiabilité. En plus de répondre aux contraintes de masse inhérentes aux systèmes embarqués, le groupe motopropulseur doit avoir une empreinte environnementale maîtrisée.
Ainsi, le projet E-SENSE vise à :
Evaluer et analyser les impacts
(technico-économiques et environnementaux) de la recharge des véhicules électriques sur le réseau électrique
Développer des outils et des solutions innovantes
adaptés à la mobilité électrique pour favoriser l'optimisation de la recharge (véhicules électriques, véhicules hybrides rechargeables) en fonction des contraintes du réseau
Évaluer l'adaptation
aux besoins et l'acceptabilité des nouvelles solutions par les utilisateurs
Optimiser la chaîne cinématique des véhicules électriques
pour les rendre plus efficaces sur le plan énergétique
Impacts territoriaux
Allier technologie et besoins de la société
Dans une approche transversale à toutes les autres thématiques, il est essentiel de s’intéresser aux aspects liés à notre vie quotidienne. L’objectif est de définir des indicateurs qui permettront de concilier les avancées technologiques avec les besoin de la société et d’impliquer pleinement dans les projets de recherche les trois axes du volet Impacts territoriaux.
L’impact économique
Un enjeu majeur concerne l’appropriation locale des technologies énergétiques développées. À mesure qu’elles accèdent au déploiement commercial, les principaux obstacles deviennent technico-économiques, notamment en matière d’optimisation industrielle et de modèles économiques.
L’objectif est de mesurer l’impact des incitations à la consommation à travers les dispositifs de soutien aux énergies renouvelables ou des incitations à la conversion à la mobilité électrique (i.e. GigaFactories), qui sont mal connues et ne font pas l’objet d’évaluations financières.
Ainsi, en ce qui concerne les énergies renouvelables dans la production d’électricité, outre les barrières à l’entrée pour les techniques innovantes, il a été montré que ces dernières présentent les inconvénients d’unités capitalistiques, mais sans effet de taille, et de productions a priori moins valorisées. Elles sont également très dépendantes de l’environnement institutionnel et donc des mécanismes de régulation et d’incitation. Il serait intéressant d’étudier en parallèle :
Comment rompre avec le modèle économique existant
pour orienter ces changements dans la production et la consommation d'énergie
Comment il sera influencé
par des dynamiques institutionnelles et locales fortes, et comment proposer de nouvelles relations producteurs-clients
Les évolutions sociales
Les modes de vie des habitants d’un territoire, qui accueille le développement de nouvelles technologies de production, de stockage ou d’utilisation de l’énergie, peuvent être fortement impactés.
La nature de ces changements et leur réception sont donc des sujets d’étude essentiels. Par exemple, le remplacement des véhicules thermiques par des voitures électriques est une préoccupation actuelle de la société et change radicalement nos habitudes de déplacement (covoiturage, etc.).
Sur ces questions nos principales pistes de recherche sont :
L'identification des facteurs
qui freinent ou au contraire favorisent l'accueil de ces nouvelles technologies dans les territoires (par des méthodologies d'enquête et/ou des entretiens de type panel). Qu'est-ce qui conduit à l'approbation, la méfiance, ou le rejet des sites de production et/ou de stockage d'énergie ?
L'étude des modalités et instances de concertation
(séances d'observation, ateliers), qui conduisent à l'utilisation de technologies plus adaptées à leur territoire. Le choix des acteurs (habitants, ONG, experts, pouvoirs publics, etc.), leur mode de fonctionnement (consultation publique, forum ouvert, conférence locale de citoyens, ateliers partagés, etc.), leurs objectifs (consultatif ou décisionnel, etc.) et leur temporalité par rapport au projet (consultation très en amont vs. en cours de projet, etc.) seront étudiés
Empreinte environnementale et intégration géographique
La composition des appareils électroniques constitue un enjeu majeur, dans la mesure où ils reposent largement sur des matériaux métalliques issus de ressources non renouvelables, dont l’extraction présente un coût environnemental élevé. Malgré un consensus croissant autour de l’éco-conception, le recyclage ne permettra pas de couvrir la demande, en particulier dans un contexte d’électrification massive des usages, qui interroge la durée de vie des équipements et les logiques d’obsolescence. En outre, la répartition inégale des ressources minérales et leur disponibilité limitée contribuent à une forte volatilité des coûts, à des tensions géopolitiques et à des risques de pénurie.
Dans ce contexte, les coûts et l’empreinte environnementale devraient se maintenir à des niveaux élevés. Il est donc nécessaire d’anticiper ces contraintes en proposant des alternatives aux matériaux les plus critiques, sans compromettre les performances ni aggraver l’impact environnemental.
Dans le cadre du projet, des analyses du cycle de vie (ACV) vont être réalisées à différentes échelles (matériau, produit, processus et territoire, afin de relever les défis environnementaux, sociaux et économiques). L’ACV est une méthodologie multi-étape et multicritère : elle prend en compte toutes les étapes du cycle de vie d’un produit/processus/système (de la matière première aux scénarios de fin de vie en passant par la fabrication, la distribution et l’utilisation) et différentes catégories d’impacts (utilisation de ressources fossiles et minérales, etc.).
Nous allons étudier l’impact sur la biodiversité (échelles génétique/ spécifique/ écosystémique), sur leur insertion dans les paysages (ce que nous avons déjà fait, par exemple pour les parcs éoliens), les dynamiques paysagères induites par leur développement, leurs représentations par les habitants et les conflits qui en découlent.
Transformation durable
Repenser la production d’énergie pour construire un futur durable.
Pour répondre aux défis du fonctionnement autonome local et de la création d’énergie délocalisée, il est essentiel de proposer des solutions innovantes et plus respectueuses de l’environnement pour soutenir les moyens de production massive. Ainsi, la thématique transformation durable vient s’appuyer sur l’excellence et le savoir-faire des partenaires de l’UPJV de l’alliance A2U.
Les activités de recherche sont dédiées à la récolte d’énergie en intégrant :
Le photovoltaïque et le piézoélectrique
pour la récolte de la lumière et des vibrations.
La photocatalyse et les technologies éoliennes
pour la production locale d'hydrogène vert et d'électricité.
Dans e∙sense, ces activités sont au centre d’un triptyque entre performances/fiabilité, innovation dans les matériaux/durabilité et amélioration de l’acceptation sociale pour tirer le meilleur parti des innovations exploitables au profit de la société.
Photovoltaïque (PV)
90 % de l’énergie solaire actuelle est basée sur le silicium cristallin (produit en grande partie en Asie). Cependant, pour réussir l’intégration du PV dans notre mix énergétique, il faut relever le défi de la disponibilité du silicium.
Les nouvelles générations de PV à couche mince ouvrent la voie à de nouvelles perspectives en complément du silicium, des toitures PV et des fermes solaires.
Ces aspects sont abordés dans e∙sense par :
La conception de nouveaux photo-absorbeurs,
respectueux de l’environnement, de couches d'extraction de porteurs de charge innovantes et leur intégration dans des dispositifs PV à couche mince optimisés,
La conception de matériaux,
et de nouveaux concepts PV sur les cellules solaires à colorant et les hétérojonctions n-p (cellules solaires en pérovskite),
Récupération de l’énergie vibratoire par les piézoélectriques
Les sources de vibrations, telles que les vagues générées par le vent et les mouvements humains, ont le potentiel de fournir de l’énergie mécanique qui peut être récoltée pour alimenter de petits systèmes lorsqu’elle est assistée par une batterie adaptée (capteurs sans fil, micro-batteries imprimées, etc.).
Les générateurs piézoélectriques, notamment ceux à base d’oxydes inorganiques, constituent l’une des principales voies prometteuses pour capter l’énergie de l’environnement et sont bien adaptés à l’insertion dans des dispositifs électroniques.
Dans ce domaine, l’Alliance A2U dispose d’une solide base de connaissances. Pour le projet e∙sense, la recherche portera principalement sur le développement de capteurs piézoélectriques efficaces, sans plomb et conformes à la réglementation REACH.
Photocatalyse
L’hydrogène est très prometteur pour le remplacement éventuel des combustibles fossiles. L’approche la plus courante pour produire de l’hydrogène utilise des procédés thermochimiques, qui combinent chaleur et réactions chimiques pour libérer l’hydrogène à partir de la matière première des combustibles fossiles. Cependant, dans l’optique de la durabilité et de la décarbonisation, il est stratégique d’exploiter d’autres moyens pour produire de l’hydrogène moléculaire à faible coût et de manière durable.
Dans les deux cas, le développement s’appuiera sur des (photo)-catalyseurs nano-structurés et/ou en combinaison avec des dispositifs PV pour générer une tension de polarisation suffisamment élevée pour le dégagement d’hydrogène à des taux élevés à un coût rentable sur la base des résultats obtenus récemment.
Pour cela, le projet regroupe les axes suivants :
La scission de l’eau
(formation de H2 et O2 à partir de l'eau)
L'utilisation de biomasse renouvelable
(hydrates de carbone)
L’éolien
La région Hauts-de-France possède la base d’énergie éolienne installée la plus élevée de France, qui devrait croître au cours de la prochaine décennie. Les éoliennes sont souvent installées dans des endroits éloignés où elles sont constamment soumises à des conditions météorologiques difficiles et à des charges aérodynamiques, gravitationnelles, centrifuges et gyroscopiques variables, ce qui réduit la fiabilité de l’ensemble du système, qui est sujet à de fréquents défauts et pannes du système électrique.
Par conséquent, l’intégration d’éoliennes (de taille adaptée) au niveau territorial nécessite l’amélioration de leur fiabilité.
Dans le projet e∙sense, ceci est abordé grâce à une combinaison synergique existante de compétences dans le domaine des machines à induction et des dispositifs électromagnétiques, et appliquée selon deux axes de développement sur le générateur électrique :
Conception de générateurs innovants et tolérants et de générateurs utilisant de nouveaux matériaux d'isolation
(polymères nanochargés avec des matériaux diélectriques), capables de supporter un environnement difficile et de fortes contraintes électriques, mécaniques et thermiques.
Amélioration de l'empreinte environnementale des éoliennes
en intégrant le principe d'écoconception avec la substitution de matières premières critiques (moins d'éléments de terres rares ou d'éléments non critiques) et amélioration de la capacité de réparation, de la réutilisation des matériaux et de la gestion de la fin de vie grâce à de nouvelles approches de conception, tout en relevant le défi d'une efficacité de conversion énergétique élevée.
