Energie
Contact: Mickael LALLART (mickael.lallart@insa-lyon.fr)
L’énergie est au cœur de la conversion multiphysique. Que ce soit au sein du matériau que dans l’ensemble complexe d’un système, la compréhension et l’optimisation des flux énergétique sont primordiales afin de bénéficier de dispositifs efficaces, robustes, et respectueux des enjeux environnementaux et sociétaux actuels. S’inscrivant dans une volonté forte de développements sobres et efficaces de systèmes énergétiques à petite échelle, les thématiques de recherche du Laboratoire LGEF liées à l’enjeu « Energie pour un Développement Durable » se déclinent en plusieurs thématiques.
Récupération d’énergie.
La prolifération des objets connectés sans fils, par exemple dans le contexte de l’« Internet des Objets » soulève le problème de leur alimentation durable et pérenne. Dans ce contexte, et notamment dans le cadre de capteurs et réseaux de capteurs opérant dans des environnements isolés et/ou modérément sévères (par exemple en température), l’utilisation de piles est prohibée du fait de leur faible durée de vie. Exploiter les sources d’énergie ambiantes (vibrations, chaleur…) convertie en énergie électrique est ainsi une solution afin de permettre à ces systèmes électroniques de fonctionner en toute autonomie.
Ainsi, le LGEF s’est depuis plus de 20 ans spécialisé dans la thématique de récupération d’énergie vibratoire et thermique, et a pu acquérir des compétences larges dans les micro-générateurs d’énergie. Le Laboratoire a ainsi été parmi les premiers à proposer l’analyse des systèmes de récupérations d’énergie dans leur ensemble, afin de disposer d’une optimisation globale des dispositifs. Outre cela, le Laboratoire a une compétence toute particulière dans les interfaces électriques non linéaires de récupération d’énergie, ayant notamment développé une approche originale permettant de multiplier pratiquement par 10 les puissances de sortie des micro générateurs piézoélectriques et pyroélectriques. Récemment, le Laboratoire et ses partenaires ont également mené un projet démontrant l’efficacité de l’utilisation de transitions dans les matériaux, surpassant d’un facteur 100 les densités d’énergie des micro générateurs conventionnels.
Le laboratoire s’est ainsi placé en pionnier et leader dans cette thématique, avec une reconnaissance internationale notamment dans la conception d’interfaces électriques pour la récupération d’énergie piézoélectrique. Sur les cinq dernières années, cela se traduit par un nombre important de publications et de thèses, des projets nationaux ou internationaux de grande envergure en porteur (ANR BESTMEMS, ANR FIESTA) ou en partenaire-clé (H2020 MSCA ITN ENHANCE, ANR AMBRE, Carnot IMPACT), ainsi que de nombreux partenariats industriels. Les partenaires principaux sur la thématique comptent parmi les laboratoires C2N, FEMTO-ST, ELyTMaX, Ampère, INL et les entreprises Solvay, SKF, GETELEC, SCHNEIDER ELECTRIC, etc.
Systèmes auto-alimentés.
Au-delà de la génération d’énergie en elle-même, son utilisation efficace dans l’ordre de grandeur du microWatt relève des défis particuliers, et nécessite une approche prenant en compte les phases où l’énergie n’est pas disponible en quantité suffisante. Ainsi, le Laboratoire inclut également le développement de dispositifs auto-alimentés à partir des micro-générateurs qu’il développe. Maîtrisant ainsi toute la chaîne de la conversion à l’utilisation de l’énergie, il est en mesure de pouvoir apporter des solutions adaptées aux besoins selon l’environnement considéré.
La recherche au LGEF se voulant applicative et répondant aux défis socio-économiques et environnementaux, la grande majorité des projets portés vont ainsi jusqu’au développement de démonstrateurs démontrant la capacité à mettre en œuvre des dispositifs autonomes et auto-alimentés.
Mise en œuvre des couplage Electro-caloriques et Elasto-caloriques.
Les systèmes de réfrigération actuels nécessitent l’usage de gaz ayant un impact négatif sur l’environnement et sont très consommateurs d’énergie. Une alternative envisagée consiste à remplacer les gaz par des matériaux caloriques. Ces matériaux ont en point commun de présenter des transitions d’ordre/ désordre induite par l’application et le retrait d’une sollicitation magnétique, électrique ou mécanique.
Notre laboratoire s’est d’abord intéressé au matériaux électro-caloriques (dont les transitions sont issues de l’application/retrait d’un champ électrique) et plus récemment aux matériaux élasto-caloriques dont la transition provient de cycles de traction uniaxiale.
Dans ce contexte, nous nous intéressons principalement à l’effet élastocalorique de deux élastomères : le caoutchouc naturel et le polyuréthane. Lorsque ces matériaux sont sollicités en traction, l’orientation des chaînes macromoléculaires (élasticité entropique) et la cristallisation sous déformations sont responsables d’un dégagement de chaleur (1è2) puis après retour à température ambiante (2è3) le retrait de la contrainte mécanique appliquée conduit à la fusion des cristaux et la désorientation des macromolécules (3è4). Cette dernière étape conduit à l’abaissement de la température du matériau et permet donc d’envisager d’élaborer des systèmes de réfrigération solide.
Les études menées au laboratoire visent à étudier l’impact de la nature du matériau (taux de réticulation), de la nature du cycle mécanique appliqué (vitesse de sollicitation et amplitude) et du transfert thermique (épaisseur des échantillons) sur la cinétique de cristallisation/fusion et la réponse thermique associée (mesurée via une caméra infra-rouge). Ces travaux permettent également de proposer des compositions optimales pour les systèmes réfrigération solide développés par notre laboratoire partenaire (Elytmax).
http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2022.125506
Transfert d’énergie.
Fort de l’expertise en récupération d’énergie, le Laboratoire développe également des techniques de télé-alimentation vibratoire. Approche alternative à la télé-alimentation RF, donc l’efficacité décroît fortement avec la distance, l’approche consistant à exploiter un milieu mécanique permet de guider l’énergie et donc de couvrir de grandes distances en minimisant les pertes d’énergies. Un tel principe est, par exemple, particulièrement bien adapté pour les canalisations, ailes, coques, plaques etc…
Notamment, le laboratoire a pu développer des méthodes efficaces de transmissions et de réception de cette énergie, associé à des dispositifs basse consommation fait maison, afin de proposer des systèmes de contrôle non destructif par ondes de Lamb.
Suivi et contrôle des infrastructures énergétiques.
Dans le domaine de l'énergie, le LGEF adapte également des technologies émergentes et nouvelle pour assurer la fiabilité et la sécurité des infrastructures énergétiques, au travers de techniques de Contrôle Non Destructif (CND) magnétiques.
Grâce aux collaborations avec le CEA et le CETIM, ainsi que dans le cadre du projet i-demo OCEA (en collaboration avec CMPhy), le laboratoire bénéficie d'un accès privilégié à des partenaires industriels majeurs dans le domaine de l’énergie tels qu'Areva, EDF, Landrat et Saipem. De plus, en collaboration avec ELyTMaX, le LGEF développe des bancs de caractérisation magnétique dans le cadre d'un projet avec le QST (National Institutes for Quantum Science and Technology, Japan) en relation avec ITER.
Ces développements permettent d'adapter les technologies de CND basées sur les mécanismes d’aimantation aux défis spécifiques de l'industrie énergétique, assurant ainsi une gestion proactive des risques et une optimisation des opérations dans ce secteur critique.
Elles sont développées plus précisément dans la partie concernant l’enjeu Transport.