Thèse - développement d’un système de production de chaleur solaire pour l’habitat basé sur un stockage thermique par adsorption f/h

L'entreprise

Nobatek et le LATEP travaillent ensemble sur la thématique de l’approvisionnement en chaleur des bâtiments depuis 2013. Cette collaboration a donné lieu à plusieurs thèses co-encadrées sur la thématique de l’optimisation des réseaux de chaleur urbains, de leur dimensionnement à leur opération dynamique.

Par la suite, un projet a porté sur l’utilisation de chaleur renouvelable d’origine solaire à l’échelle d’un bâtiment en utilisant un stockage de chaleur avec des matériaux à changement de phase (MCPBat).

Aujourd’hui, Nobatek et le LaTEP visent à joindre à nouveau leurs efforts pour mettre au point un système d’approvisionnement de chaleur renouvelable pour un bâtiment utilisant un stockage thermique par adsorption. Le LaTEP apporte son expertise sur le phénomène d’adsorption, ainsi que sur les méthodes de modélisation et d’optimisation et Nobatek amène ses compétences en développement de prototype et sa connaissance du secteur du bâtiment.

Le projet AD-TES sera donc mené en collaboration entre Nobatek et le LaTEP. Le LaTEP dirigera la thèse de doctorat portée par le projet et qui se focalisera principalement sur le choix du système à étudier, sa modélisation son optimisation. Le prototype du système sera développé et testé par Nobatek.

La société ARKEMA qui développe des matériaux adsorbants apportera également son expertise et fournira les matériaux adsorbants. Elle participera au comité de suivi de la thèse.



Savoir-faire du laboratoire

Au sein du LaTEP, l’équipe constituée par les Enseignants Chercheurs F. Marias, J-M. Reneaume, S. Sochard, S. Serra et A. Untrau, développe un projet scientifique qui vise, à long terme, à proposer des méthodologies pour l’aide à la conception et la conduite optimales des systèmes multi-énergie : production (énergies primaires multiples : fossile, biomasse, solaire…), conversion (électrolyse, méthanisation, gazéification, méthanation, …), stockage (sensible, chimique…) et distribution (réseaux utilisant différents vecteurs : eau, gaz, CO2, électricité…).



Des études effectuées par le LaTEP se sont focalisées sur l’étude de briques technologiques isolées pour mieux comprendre leur fonctionnement, développer des modèles numériques précis et optimiser le dimensionnement et l’opération de ces briques. De premières associations de plusieurs briques ont également été étudiées. Voici quelques exemples :

* Réseau de chaleur urbain (optimisation de la topologie et du design – thèse de Théophile Mertz 2016, CIFRE NOBATEK; optimisation dynamique d’un réseau de froid – thèse d’Arley Nova Rincon 2019, MESRI)
* Machine à absorption pour la génération de froid solaire (thèse de Lorenzo Castillo Garcia 2016, AMI ADEME SCRIB)
* Méthanation (thèse d’Axel Fache 2019, projet REACHY CRNA ENOSIS)
* Couplage Méthanisation – Méthanation (thèse de Giberto Yuki Junior 2024)

Parmi les études sur les différents systèmes énergétiques, plusieurs intègrent un stockage thermique :

* Stockage sensiblepour une centrale solaire thermique : Optimisation dynamique de l’opération d’une centrale solaire thermique (thèse de Simon Scolan 2020, CIFRE NEWHEAT), puis optimisation en temps-réel du même système (thèse d’Alix Untrau 2023)
* Stockage sensible sur un réseau de chaleur urbain: intégration du solaire thermique à un réseau de chaleur urbain (thèse de Régis Delubac 2021, APRED ADEME ISORC) et intégration d’un stockage même en l’absence d’énergie renouvelable intermittente (Projet RESEAU- CONCEPT avec NOBATEK)
* Stockage latent pour la production de chaleur et de froid pour un bâtiment (Projet MCPBat avec NOBATEK)

Le LaTEP possède donc une expertise en modélisation et optimisation de systèmes énergétiques et notamment des systèmes intégrant la ressource solaire thermique et un stockage thermique. De plus, Sabine Sochard a également encadré plusieurs thèses dans le domaine du traitement de l’air par adsorption (modélisation et expériences).


Description du poste

Sujet de thèse

Titre : Développement d’un Système de production de chaleur solaire pour l’habitat basé sur un Stockage Thermique par Adsorption (AD-TES)



Résumé : L’objectif du projet AD-TES est de développer une solution innovante de stockage de chaleur pour l'habitat, reposant sur le principe du stockage thermique par adsorption. Ce type de stockage thermique novateur présente des avantages tels qu’une densité énergétique théorique très élevée et l’absence de pertes thermiques entre les phases de charge et de décharge. Il est pourtant encore peu développé en raison de coûts d’investissement élevés, de la complexité de la conception du système et de son opération résultant souvent en des densités énergétiques à l’échelle système inférieures aux valeurs théoriques. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique pour une configuration de système choisie grâce à une étude bibliographique. Ce modèle sera calibré et validé grâce à des données expérimentales issues d’un prototype mis au point par les équipes de Nobatek en collaboration avec le doctorant. Ce prototype sera ensuite utilisé pour l’optimisation dynamique du dimensionnement et des conditions opératoires. L’objectif est de tester la viabilité, technique et économique, d’un tel système pour l’approvisionnement en chaleur renouvelable d’un bâtiment.

Mots-clés : Stockage thermochimique, adsorption, physisorption, chaleur renouvelable, modélisation, optimisation



Missions – Activités principales :



Le contexte scientifique

Le stockage par adsorption est un stockage thermique novateur basé sur le procédé d’adsorption d’une molécule issue d’une phase fluide sur un média poreux. Ce phénomène est exothermique et libère ainsi de la chaleur qui peut être utilisée dans le bâtiment pour le chauffage ou la production d’eau chaude sanitaire. Cette chaleur a été précédemment stockée sous forme de potentiel d’adsorption dans le solide poreux. Pour cela, une phase de désorption des molécules de fluide a eu lieu grâce à un apport en chaleur. Le processus réversible d’adsorption permet donc de stocker de la chaleur sans pertes thermiques, puisqu’elle est stockée sous forme de potentiel. De plus, la densité d’énergie d’un tel stockage est très élevée, supérieure au stockage sensible ou latent [1], ce qui rend cette technologie compacte, et donc adaptée au secteur du bâtiment. A ce jour, cette technologie est encore peu développée et des études sont nécessaires pour améliorer la conception du système, ainsi que ses paramètres opératoires, afin d’en améliorer le coût et la fiabilité [1]. Ce projet de R&D se focalise sur ces objectifs.



Des travaux préliminaires ont été réalisés au LaTEP. Un stockage par adsorption a été modélisé finement et des études de sensibilité ont permis d’identifier les paramètres de design et opératoires qui ont un fort impact sur les performances de stockage [2].



Ce projet partenarial entre le LaTEP et Nobatek vise à identifier les applications adaptées au stockage thermique par adsorption. Il a pour ambition de concevoir un système de stockage performant, répondant aux besoins en chaleur des bâtiments résidentiels et/ou tertiaires. Plusieurs paramètres seront pris en compte, tels que les couples adsorbant/adsorbat, la configuration du système, la température d’adsorption cible, le volume de stockage et la quantité d’énergie stockable ainsi que les sources d’énergie thermique renouvelables compatibles avec les systèmes sélectionnés.

Un travail de modélisation dynamique permettra de choisir la configuration optimale, répondant aux besoins identifiés. Sur cette base, un prototype de stockeur sera conçu, fabriqué et testé en conditions réelles. Le prototype permettra de valider les modèles numériques pour ensuite les utiliser afin d’optimiser les conditions opératoires du système, en régime dynamique, pour satisfaire une demande en chaleur variable. Enfin, une étude explorera les opportunités de mise en œuvre industrielle et commerciale.

Ce système, compact et performant, contribuera à une meilleure utilisation de l’énergie thermique, aussi bien dans le bâtiment que dans l’industrie. Il permettra également de réduire l’espace occupé tout en améliorant l’efficacité énergétique.



Les objectifs

Le travail de thèse portera sur la modélisation d’un système de production de chaleur renouvelable pour un bâtiment incluant un stockage thermique par adsorption. Ce modèle, une fois validé grâce à des données expérimentales, sera utilisé pour optimiser le dimensionnement ainsi que les paramètres opératoires du système en régime dynamique.



Le travail de thèse se déroulera en plusieurs étapes :

* 1. Choisir la configuration du système grâce à une étude bibliographique exhaustive: couple adsorbant/adsorbat, design du stockeur et des échangeurs, températures d’adsorption et de désorption, énergie renouvelable compatible, volume de stockage et quantité d’énergie stockable.
* 2. Détermination expérimentale des propriétés physico-chimiques des couples adsorbant/adsorbat (chaleur d’adsorption, isothermes d’adsorption, porosité, etc)
* 3. Modélisation de la configuration choisie. Simulation du système selon différentes lois de pilotage. Estimation des performances thermiques du système et identification des paramètres de conception et d’utilisation impactant la performance (analyse de sensibilités).
* 4. Calibration et validation des modèles numériques à l’aide des données expérimentales issues du prototype.
* 5. Optimisation dynamique du dimensionnement et des conditions opératoires de la configuration choisie avec un objectif économique préalablement défini, à partir de données chiffrées. Etablissement de recommandations sur la base de tests de différents scénarios avec prévisions météorologiques et demande en chaleur variable.



Les résultats attendus

La thèse devra permettre le développement d’un outil numérique précis pour la simulation et l’optimisation dynamique d’un système de production de chaleur pour un bâtiment avec un stockage de chaleur par adsorption.

L’objectif de la thèse est d’étudier l’intérêt d’un tel système dans l’approvisionnement en chaleur renouvelable d’un bâtiment. Des recommandations sur le dimensionnement et la conduite du système face à une demande en chaleur variable devront être dégagées de l’étude d’optimisation dynamique menée.


Profil recherché

De formation Energétique et/ou Génie des Procédés (niveau Master ou diplôme d’ingénieur), le candidat aura de solides compétences en thermodynamique, transfert thermique, transfert de matière, programmation et modélisation/optimisation (optimisation numérique ; programmation mathématique).



Des qualités rédactionnelles seront appréciées.



Une bonne maîtrise de l’anglais est indispensable.



Conditions d’exercice

Laboratoire : Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés (LaTEP) (site web : )

Ecole doctorale : Ecole Sciences Exactes et leurs Applications (ED SEA 211)

Employeur : Université de Pau et des Pays de l’Adour

Lieu : Pau, Nouvelle-Aquitaine, France - Déplacement à prévoir chez Nobatek à Bordeaux

Date début : Septembre 2025

Durée : 36 mois

Salaire mensuel net : environ 1800€



Comment candidater ?

Envoyer un dossier de candidature par email comprenant :

* CV
* Lettre de motivation
* Relevé de notes et classements en Master
* Lettres de recommandation et coordonnées des personnes (minimum deux) à contacter



Date limite de candidature : 30/05/2025

Processus de sélection : les candidats seront d’abord sélectionnés sur le dossier envoyé (adéquation entre le diplôme et le sujet de thèse, notes et classements, maîtrise de l’anglais, présentation des travaux et expériences professionnelles – stages en laboratoire ou en entreprise, éventuels travaux de recherche déjà réalisés). Puis, un entretien sera organisé après la sélection des dossiers de candidature.



Contact :

Sabine Sochard :
Alix Untrau :