Section 10 Milieux fluides et réactifs : transports, transferts, procédés de transformation

V. Thermique-Énergétique

A. Description de la thématique

La thermique-énergétique s'intéresse à toutes les échelles de l'énergie thermique, de son origine à l'échelle atomique à sa conversion à l'échelle d'un système ou encore à son transfert aux grandes échelles en milieu industriel, urbain ou naturel. Les processus de transport sont ici impulsés par des sources de chaleur localisées aux frontières ou au sein des milieux concernés, jusqu'à ce que les flux initiaux s'équilibrent au cours du temps. La force de la thématique réside dans la mise en œuvre d'approches fines, expérimentales, mathématiques et numériques, permettant de déterminer avec précision d'une part les températures et les flux thermiques pour de larges gammes d'échelles spatiales et temporelles, et d'autre part les grandeurs thermo-physiques nécessaires à la résolution des équations de transport.

Pour pouvoir piloter des processus énergétiques où les aspects multi-échelles et multi-physiques deviennent incontournables, la thématique continue de développer des approches expérimentales pointues (notamment optique aux temps ultra-courts) ainsi qu'un socle d'approches numériques (méthodes inverses, de changement d'échelle, stochastiques, réduction de modèles) adaptées aux échelles de longueur traitées. L'accès à des moyens de calcul conséquents a permis l'émergence de nouveaux outils numériques basés sur l'imagerie 3D, les méthodes de gaz sur réseau ou encore les calculs ab initio.

Au sein de la section 10, la thématique cultive ainsi de fortes interactions avec la dynamique des fluides, le génie des procédés ou la combustion. Cette culture pluri-thématique l'amène a participer au sein de l'INSIS aux développements autour des nanotechnologies (section 8) ou des méthodes d'imagerie et de mesure de champs en mécanique du solide (section 9). Elle se positionne également aux interfaces avec l'INP en physique des nano-échelles (section 3), l'INC en sciences des matériaux (section 15) ou encore l'INSB en biologie-santé. Ces interactions riches, associés à ses spécificités propres, offrent à la thermique-énergétique un cadre d'évolution en constant renouvellement. Tout l'enjeu pour la communauté est, dans les années à venir, de savoir être le moteur des futures évolutions la concernant sans devenir, plus restrictivement, un simple acteur au service du développement de ses multiples partenaires.

B. Axes de développement

La description suivante est organisée autours des grands axes de recherche ayant leurs dynamiques internes propres.

1. Transferts à nano-échelle : lois de transport et nano-systèmes

Cette thématique a pris ces dernières années un essor international remarquable. Sa dynamique actuelle réside dans le fait d'avoir consolidé un nouveau cadre théorique pour comprendre le transport de l'énergie aux très courtes échelles en s'appuyant fortement sur la physique de la matière condensée, la physique statistique et l'électromagnétisme. En effet, dans des systèmes dont la taille est de l'ordre du libre parcours moyen des quanta d'énergie, les lois de transport habituelles sont mises en défaut. La nanothermique a ainsi mis en évidence de nouveaux modes de transport « exaltés » de l'énergie (polaritons de surface) décisifs pour l'amplification énergétique aux courtes échelles. Les travaux se sont focalisés sur des nanomatériaux (dont récemment le graphène) avec des applications attendues en électronique, en thermoélectricité, en systèmes photovoltaïques et en isolation thermique (super-isolants). Les efforts actuels portent aussi sur le développement complet de nanosystèmes à thermique optimisée (NEMS, lab on a chip), sources d'un gisement d'innovation important.

2. Transferts à micro-échelle

Portée par le développement de la micro-fluidique, cette activité concerne les écoulements avec ou sans changement de phase dans un contexte où les phénomènes surfaciques peuvent dominer les contributions volumiques. Les objets étudiés sont des micro-caloducs ou encore des micro-échangeurs de chaleur, avec un effort portant sur l'intensification des transferts (réfrigération, électronique, piles à combustibles) ou sur la réduction des quantités de réactifs requis dans des réactions chimiques très endo- ou exo-énergétiques par rapport à ceux usuellement nécessaires à macro-échelle.

3. Intensification du transport convectif dans les fluides

Ces travaux concernent le rôle des instabilités hydrodynamiques dans les transferts convectifs, et la manipulation des structures thermo-convectives ou turbulentes, avec des applications directes dans l'intensification des échanges de chaleur et de masse. Des retombées directes concernent la thermique du bâtiment ou encore la diminution de la surchauffe induite par les panneaux photovoltaïques dans les bâtiments. Les instabilités peuvent être aussi générées dans des écoulements de fluides non-newtoniens, des émulsions ou des suspensions et accroître les taux de mélange pour un apport énergétique moindre, trouvant ainsi des applications intéressantes en génie des procédés : agroalimentaire, cosmétiques, production de biocarburants par conversion μ-algale.

4. Transferts radiatifs dans les milieux semi-transparents

Les travaux les plus saillants portent ici sur le rayonnement des gaz et plasmas, les couplages radiatifs, les transferts radiatifs dans les milieux hétérogènes, la caractérisation fine des propriétés radiatives des matériaux, la conception de matériaux à propriétés radiatives optimales et l'approche statistique du rayonnement. La communauté française, très active à l'échelle internationale, entretient de nombreux liens avec des partenaires académiques et industriels de la combustion, de la thermique du bâtiment, des énergies renouvelables et du secteur aéronautique et spatial. Les travaux en cours couplant transferts en champs proche et lointain cherchent à obtenir une vision unifiée du transport radiatif, de l'échelle atomique à celle des systèmes industriels.

5. Transferts multiphasiques dans les milieux hétérogènes

Cette thématique couvre en premier lieu la thermique des milieux multiphasiques où interviennent des changements de phase : condensation, évaporation ébullition avec une prise en compte fine du rôle exercé par les interfaces et la caractérisation thermo-cinétique de collections de gouttes (projection thermique, sprays refroidissants) ou encore la compréhension de phénomènes multi-physiques gouvernant le déclenchement et la propagation de feux naturels ou industriels aux échelles locales et globales. En second lieu, s'est dégagé en France une communauté très reconnue autour des transferts thermiques dans les milieux poreux dont l'originalité est fondée sur le développement de méthodes d'homogénéisation (par prise de moyenne volumique ou approches asymptotiques) permettant de combiner les différentes échelles contribuant au transport. Cette dynamique s'est encore récemment accrue grâce au développement de méthodes de calcul intégrant directement des images 3D (μ-tomographie X, IRM...) permettant de connecter grandeurs homogénéisées et paramètres texturaux des milieux. Les applications sont multiples et concernent notamment la sûreté nucléaire, la géothermie, le secteur pétrolier, le stockage des déchets, la mise en forme des composites, la combustion de la biomasse, l'isolation thermique dans les bâtiments

6. Optimisation énergétique des systèmes

Cette thématique multi-échelle met en avant le système lui-même qui devient le cœur de l'activité de recherche. Un système est constitué de différents composants au travers desquels le transfert de l'énergie thermique peut être couplé à d'autres phénomènes tels que le transfert de masse, l'apport d'énergie mécanique, chimique, électromagnétique, nucléaire ou encore bio-chimique. L'objectif est donc l'optimisation des échanges énergétiques entre composants, dans un but finalisé de diminution de la consommation d'énergie spécifique ou d'utilisation optimale du potentiel énergétique du système (cogénération par exemple). À ce titre cette activité devra renforcer ses liens avec les préoccupations environnementales, économiques et juridiques au cœur des grandes mutations socio-économiques de notre siècle.

C. Moyens d'action et organisation

Plus de la moitié de la trentaine de laboratoires ayant une activité forte en thermique/énergétique est rattachée principalement à la section 10 avec une répartition géographique couvrant tous les sites universitaires où l'INSIS est historiquement implanté. Plusieurs structures souples soutenues par le CNRS fédèrent la vie de la communauté : GdR ACCORT, SYREDOSSI et Feux, GDRE « Thermique des Nanomatériaux et des Nanosystèmes » à l'échelon européen. Certaines thématiques se retrouvent également dans les GdR MIC et « Mesures de champs et identification en mécanique des solides » relevant de la section 9 ainsi que dans les GdR HySPàC et Thermoélectricité portés par la section 15. Une autre initiative à souligner est le groupe METTI dont les écoles thématiques attirent des chercheurs du monde entier. Par ailleurs la communauté est dotée d'une société savante nationale, la SFT, qui organise un congrès annuel ainsi que plus d'une dizaine de journées thématiques par an. Elle est très active sur la scène internationale dans l'organisation de conférences et de réseaux : International Heat Transfer Conference (IHTC), International Center for Heat and Mass Transfer (ICHMT), Eurotherm, European Conference on Thermal Properties (ECTP).

D. Recommandations

La place de la thermique/énergétique au CNRS mérite aujourd'hui un débat de fond, qui pourrait prendre la forme d'assises, dans la mesure où ses effectifs en section 10 ont été divisés par deux entre 2005 et 2014. Ainsi, la pluridisciplinarité qui constitue l'une de ses originalités peut aussi s'avérer être une faiblesse, ses chercheurs pouvant se déporter au-delà de ses frontières communes avec d'autres thématiques. Des questionnements demeurent aussi sur son articulation interne entre les activités liées aux transferts d'énergie à nano-échelle (marquées par une forte empreinte physicienne), celles plus métrologiques menées à l'échelle du composant, et celles proches du génie des procédés à l'échelle du système. La communauté doit donc se poser la question de son ressourcement en lien avec les disciplines situées à ses interfaces : physique de la matière condensée, optique, électro-magnétisme, sciences des matériaux, mécanique, biologie...

À ce titre, les préoccupations liées à la transition énergétique doivent aujourd'hui ouvrir à la discipline un champ d'action favorable à un nouvel essor : qu'il s'agisse de conversion, de stockage ou d'utilisation optimisée de l'énergie thermique au sein de systèmes, elle est au cœur de nombreux verrous identifiés par la cellule Énergie du CNRS et par l'Alliance ANCRE. Des efforts sont à mener vers les sciences des matériaux car la conception d'un système énergétique optimisé passe nécessairement par le recours à des matériaux « hors normes » et par une interaction « intelligente » entre ses composants.