Laboratoire des Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie

Les polluants organiques persistants (POP) constituent une menace environnementale et sanitaire majeure en raison de leur stabilité chimique, de leur bioaccumulation et de leur toxicité. Face aux limitations des méthodes conventionnelles de traitement, l'électro-oxydation émerge comme une solution prometteuse mais se heurte à deux obstacles majeurs : le coût énergétique élevé et les performances limitées des électrodes disponibles. Le projet ElectrO-POP propose une innovation majeure en développant des électrodes écologiques à base d'hydroxydes doubles lamellaires (LDH) synthétisés à partir de polysaccharides, combinant ainsi haute performance et durabilité environnementale. Ces matériaux présentent des avantages uniques avec leur structure lamellaire modulable offrant une grande surface active, leur composition biodégradable à faible coût, et leur réactivité avec des agents réticulants non toxiques. La synthèse de ces LDH suit une approche verte en milieu aqueux, évitant tout solvant toxique, tandis que leur caractérisation rigoureuse par DRX, MEB et analyses électrochimiques permet d'optimiser leurs propriétés physico-chimiques. L'objectif principale est de démontrer l'efficacité supérieure de ces électrodes pour la minéralisation complète des POP en CO2 et H2O, via des mécanismes combinant transfert d'électrons direct et production de radicaux hydroxyles. Les tests sur échantillons réels visent à valider la robustesse du procédé dans des conditions environnementales variées. Cette technologie innovante pourrait ainsi offrir une solution à la fois performante, économique et respectueuse de l'environnement pour l'élimination définitive des POP, marquant une avancée significative dans le domaine du traitement des polluants persistants.

Après deux années de chaleur record, les villes du monde entier ont été menacées par des températures pouvant atteindre les 50 °C, mettant à l'épreuve la santé des habitants et poussant les réseaux électriques au bord de l'effondrement. La nécessité d’un tournant radical dans les stratégies de lutte contre le réchauffement climatique, notamment dans les zones urbaines s’impose donc. L'efficacité des systèmes de refroidissement est une question majeure, car selon l'Agence internationale de l'énergie, jusqu'à 20 % de l'électricité utilisée dans les bâtiments est consommée par des climatiseurs. Néanmoins, la dureté des vagues de chaleur, même dans les zones géographiques autrefois considérées comme tempérées, nous oblige à repenser les approches traditionnellement adoptées. Il faut envisager une nouvelle stratégie où des climatiseurs classiques utilisés dans de grands espaces intérieurs fonctionneront en parallèle avec des systèmes de refroidissement petits, légers et facilement déployables qui seront capables de préserver véhicules, médicaments et nourriture, ainsi que les corps humains à une température appropriée, même lorsque la température extérieure atteint des pics de l'ordre de 50°C. CooT propose une approche innovante de refroidissement où des films de polymères P(VDF-TrFE-CFE) électrocaloriques (EC) seront utilisés comme réfrigérants dans des dalles plates, légères, flexibles, évolutives et énergétiquement efficaces. Celles-ci fonctionneront sur une différence de température de l'ordre de 20-30 °C à 20 % du COP de Carnot et avec une puissance frigorifique de l'ordre de 100 mW/cm2. Une gestion innovante de la chaleur, mettant le réfrigérant EC en contact avec les réservoirs, permettra d'atteindre des rendements plus élevés et une meilleure compacité. CooT jettera les bases de nouvelles technologies de refroidissement efficaces, faciles à déployer, portables et évolutives, qui peuvent changer radicalement la manière dont nous abordons les vagues de chaleur.

Dans le domaine de l'électronique de puissance, les fabricants de modules de puissance à base de semi-conducteurs ont développé des lignes de conception très avancées qui prennent en compte un certain nombre de fonctions. Cependant, bien que la fiabilité soit prise en compte dès la phase de conception, elle est toujours évaluée expérimentalement en fin de processus, après la réalisation des prototypes physiques. La fiabilité est ainsi traitée par une première approche « globale » qui s’appuie sur une analyse statistique de résultats de tests accélérés réalisés sur un grand nombre de composants de même technologie. Le cyclage de puissance est le test de fiabilité le plus pertinent, il nécessite de longues campagnes de tests. Ces tests exigent d’appliquer des sollicitations multiphysiques amplifiées en regard de celles présentes dans les conditions normales de fonctionnement afin d’accélérer les mécanismes de dégradation. Une extrapolation vers les faibles sollicitations permet d’estimer la durée de vie dans les conditions réelles. Cependant, l’écart entre la prédiction par cette approche et l’observation faite sur le terrain est significatif. De plus, il n'existe pas de chemin de rebouclage vers la phase de conception, limitant ainsi la capacité à ajuster et améliorer les conceptions initiales en fonction des retours d'expérience issus des tests de fiabilité. La variabilité des conditions d'exploitation, n'est pas suffisamment prise en compte, ce qui fragilise davantage les prédictions de durée de vie. Enfin, la durabilité des composants est souvent négligée car les modèles et les pratiques actuelles ne favorisent pas une approche proactive en matière de conception pour la fiabilité et la longévité. PowerTwin répond à la nécessité de développer de nouvelles méthodologies et outils pour améliorer la prédiction de la fiabilité, réduire les coûts de fabrication et optimiser la conception des modules de puissance dans un contexte d’évolution rapide des technologies.

Le développement récent de nouveaux radio télescopes comme LOFAR ou SKA, composés de plusieurs milliers d'antennes élémentaires, conduit à considérer de nouvelles approches pour leur dimensionnement, en particulier concernant le placement de leurs antennes. Ces nouveaux instruments doivent notamment permettre de construire des images d’une précision jamais atteinte auparavant. Les objectifs de ce projet sont (i) d'établir des critères pertinents de performance des radio interféromètres en termes d'imagerie, et (ii) de concevoir des géométries de réseaux d'antennes originales pour ces instruments, basées sur les critères de performance proposés. Pour cela, nous nous baserons sur un modèle paramétrique des données obtenues par les radio-interféromètres, et chercherons à obtenir des bornes sur l'erreur (quadratique moyenne) de reconstruction des images. La borne de Cramér-Rao (CRB), pour le problème d’imagerie en radioastronomie, n’a été que très peu étudiée pour la conception des radio-interféromètres, alors qu'elle est habituellement utilisée comme critère de dimensionnement pour les systèmes multi-capteurs. Nous proposons de combler ce manque, et d’étendre la CRB pour ce problème à des versions prenant en compte le biais ou bayésienne. Par ailleurs, la CRB se révèle insuffisante pour décrire les performances d’estimation dans des conditions de faible rapport signal à bruit et/ou de faible nombre d’observations. Nous nous intéresserons donc à des bornes autres que la CRB, aux conditions de validité moins restreintes dans ces conditions difficiles et appropriées au contexte de la radioastronomie. Nous nous focalisons ensuite sur les méthodes de positionnement des antennes, comme celle basée sur la sélection de capteurs sur une grille par minimisation d'une fonctionnelle convexe. Enfin, nous comparerons ces méthodes à celles habituellement utilisées en radioastronomie, et les appliquerons à la planification d'observation en utilisant des données NenuFAR.

Le projet DragHunt vise à ouvrir de nouvelles voies pour améliorer l'efficacité thermoélectrique des matériaux, en explorant, à la fois théoriquement et expérimentalement, l'effet de « Phonon Drag », lequel résulte du transfert du moment entre les populations de phonons et des électrons hors équilibre, ce qui provoque une forte augmentation des coefficients Seebeck et Peltier dans certains matériaux thermoélectriques à basse température. Le concept que nous souhaitons explorer est l'utilisation d'un substrat comme bain de phonons externe pour fournir des phonons supplémentaires hors équilibre, afin d'intensifier l'effet de Phonon Drag et de le déplacer vers des températures plus élevées. Pour cela, nous visons à développer une approche numérique qui permettrait de décrire le transport couplé des électrons et des phonons à l'interface entre un système conducteur et un bain de phonons externe, avec une attention particulière portée à l'effet de Phonon Drag. En parallèle, l'effet de Phonon Drag sera étudié expérimentalement, sur un système modèle constitué de canaux de conduction graphitiques enfouis dans une matrice de diamant. Le but de ce projet est donc, en combinant simulations numériques et études expérimentales approfondies d'un système choisi, d'identifier les principaux facteurs (tels que la structure de bande électronique, les spectres de phonons dans les deux sous-systèmes, la transmission des phonons à l'interface) permettant d’exacerber l’effet de Phonon Drag et de le déplacer vers des températures plus élevées. Pour atteindre cet objectif, nous proposons d'unir nos expertises en mesures spectroscopiques et thermoélectriques (ILM), en description ab initio de l'effet de Phonon Drag (LSI) et en description du transport de charge (C2N) et de la chaleur incluant les interfaces (SATIE) afin d’explorer, la possibilité de manipuler l’effet de Phonon Drag par le choix d'un bon couple de matériaux pour réaliser l’ensemble conducteur et bain de phonons externe.

La hausse des températures mondiales aura de graves répercussions sur la vie de milliards de personnes. Outre l'augmentation vertigineuse de la demande énergétique de l'industrie du refroidissement et de la climatisation, déjà responsable de 15 % de la consommation mondiale, le nombre de morts pendant les vagues de chaleur atteindra de nouveaux sommets catastrophiques. Avec CoolVest, nous nous attaquons à ces deux problèmes en développant un vêtement rafraîchissant pour la gestion thermique personnelle (PTM) basé sur un matériau électrocalorique. Il limite les risques associés au stress thermique pour le personnel travaillant à l'extérieur lors d'événements climatiques extrêmes. En outre, son utilisation dans les environnements intérieurs permet de réduire la température de fonctionnement des climatiseurs, ce qui se traduit par des économies d'énergie de l'ordre de 7 à 15 %. Cette percée du PTM sera réalisée en combinant l'effet électrocalorique (EC) efficace avec un actionnement à faible perte pour le transfert de chaleur, afin d'atteindre un niveau de compacité et d'efficacité sans précédent. Cette approche élimine la nécessité d'un échangeur de chaleur fluide/air, dont la taille et le coût étouffent en grande partie les progrès des technologies de refroidissement actuelles. CoolVest rassemble les principaux acteurs de la recherche européenne sur les technologies de refroidissement, depuis les matériaux (céramiques et polymères) jusqu'à la simulation, l'électronique et les prototypes de refroidissement, garantissant ainsi le succès grâce à une approche à deux volets : Premièrement, les performances de refroidissement des matériaux de la CE seront améliorées. En s'appuyant sur les matériaux de pointe, principalement développés par ce consortium, un réglage fin des propriétés sera obtenu grâce à l'ingénierie de la composition et de la structure des céramiques et des polymères sans plomb. Ensuite, des composants électroniques flexibles et de grande taille seront produits par des techniques à l'échelle industrielle et incorporés dans des prototypes de refroidisseurs innovants. Leur performance sera caractérisée in-operando et leur développement soutenu par une simulation avancée et une conception électronique intelligente pour la récupération d'énergie, pour une efficacité maximale, avant leur incorporation finale dans les démonstrateurs PTM. Par la suite, la tuile EC pourrait être déployée dans de nombreuses autres applications. Commencer par le PTM est un excellent point d'entrée pour la technologie, à la fois pour son impact et parce qu'il aidera la technologie à devenir mature, dans un domaine où la compacité est primodiale.

La réfrigération représente déjà 15% de l’énergie électrique totale consommée dans le monde ; un chiffre qui va continuer d’augmenter considérablement dans les 20 prochaines années à cause du changement climatique. La gestion thermique individuelle apparait comme un chemin intéressant pour réduire le besoin en climatisation des bâtiments mais aussi comme une réponse au risque de santé associé au travail en extérieur lors des vagues de chaleur. Pour ces applications, où la compacité et le poids sont importants, la réfrigération électrocalorique (EC) est une technologie prometteuse. Cependant aujourd’hui leurs efficacités relatives à Carnot sont trop basses, autour de 4%, quand il faudrait atteindre au moins 20% pour développer la gestion thermique individuelle. Au cours du développement de matériaux EC, les pertes ont été négligées, ce qui in fine limite drastiquement l’efficacité des systèmes de réfrigération EC. C’est le point que nous nous attachons à résoudre dans le projet CERACOOL en optimisant des céramiques pour ses réponses EC mais aussi pour ses faibles pertes. Il en résulte que l’utilisation de céramiques EC performantes impose de repenser les systèmes afin de maintenir les bonnes densités de puissance de ce type de technologie. En effet, aujourd’hui les systèmes compacts utilisent des matériaux EC flexibles qui sont actionnés électrostatiquement, une stratégie plus difficile avec des céramiques. Notre objectif est, à partir d’un système de réfrigération EC innovant fait de plusieurs facettes de systèmes élémentaires, de réaliser un vêtement pour la gestion thermique individuelle en rupture des solutions thermoélectriques peu performantes.

L'enfouissement de composants de puissance dans des circuits imprimés est une technologie attractive qui permet d'atteindre des performances électriques et thermiques élevées, tout en tirant partie d'un outil industriel très développé. Cependant, les solutions étudiées jusqu'alors se focalisent sur l'enfouissement de puces de puissance, et réclament des composants très particuliers. TECoCIP vise à favoriser le développement de cette technologie d'enfouissement en 1-proposant un "pré-package", qui facilite l'intégration de tous les composants actifs, que ce soit des puces de puissance ou leurs circuits intégrés de commande; 2-étudiant les composants magnétiques enfouis, indispensables à la réalisation des convertisseurs de puissance; 3-s'assurant du bon comportement thermo-mécanique de l'ensemble. Pour cela, TECoCIP intègre des travaux de développement technologique, de modélisation électro-magnétique et thermo-mécanique, et de validation expérimentale sur prototypes.

Le déploiement à grande échelle de véhicules électriques (VE) représente un challenge, mais également une opportunité de rendre plus efficace et abordable la transformation des réseaux électriques actuels en réseaux plus intelligents. Cela pourra être réalisé par le pilotage efficace de flottes de véhicules électriques dont l’utilisation sera mutualisée pour différents services (recharge intelligente, équilibrage réseau, etc.). Cependant, les stratégies actuelles présentent plusieurs écueils. Les stratégies centralisées, ne passant pas à l’échelle, ne permettent pas de contrôler un nombre suffisant de VE pour atteindre la viabilité économique. Au contraire, les stratégies décentralisées peuvent potentiellement passer à l’échelle. Cependant, les méthodes utilisées actuellement ne sont pas suffisantes en termes d’échelle, ou sont très conservatives et ne permettent pas de d’exploiter pleinement le potentiel de flexibilité des VE. Il est donc nécessaire de développer des méthodes décentralisées de gestion dynamique de l’énergie plus efficaces. Il est également nécessaire qu’elles permettent d’assurer la satisfaction de toutes les parties prenantes qui ont de objectifs et contraintes potentiellement contradictoires (ex : équilibrage sûr et abordable du réseau, mobilité, etc.). De plus, la gestion de l’énergie au plus proche du temps-réel va nécessiter l’utilisation intensive et généralisée de technologies de l’information et de la communication (TIC). Cependant, le « coût de l’information » environnemental et économique pourrait être conséquent. Le premier objectif du projet EDEN4SG est donc de développer une méthode de gestion de l’énergie décentralisée efficace et applicable à des flottes hétérogènes de VE de taille réelle, et pilotées avec des niveaux variables de qualité de service (QoS) des TIC. Cela alimentera le deuxième objectif du projet qui consistera à développer une méthodologie d’évaluation du coût environnemental et économique du smart grid.

L’installation de sources renouvelables (PV, pile à combustible, électrolyseur) avec du stockage (batterie, réservoir H2) pour des applications stationnaires est une réponse à la réduction de CO2. La décentralisation des sources et du stockage conduit à un système complexe et nécessite une commande intégrant la connaissance évolutive du système afin d’assurer la stabilité, un rendement optimal, etc. Un dimensionnement adapté est primordial pour une autonomie totale ou partielle et des performances énergétiques optimales. Il est important d’évaluer l’efficacité et l’usure des composants sur du moyen terme mais aussi sur l’ensemble du cycle de vie afin de faire les meilleurs choix par rapport à des critères techniques, économiques ou environnementaux. L’aspect novateur porte sur le développement de l’ensemble des couches logicielles et l’apport des SHS pour une conception et un pilotage efficient de ce dispositif hydrogène-énergie sur l’ensemble de son cycle de vie par son usage par les consommateurs.

OLICOW vise à améliorer significativement les capacités d'analyse et de prévision du comportement des foules dans les lieux publics. L'observation et la simulation des foules ont été traitées séparément par différentes communautés. Les tentatives pour les coupler sont récentes et hors ligne jusqu'à présent, et ne sont pas encore opérationnelles pour des systèmes de foules réalistes. OLICOW propose une nouvelle génération de modèles de simulation de foule basés sur les données, ouvrant de nouvelles possibilités d'assimilation des observations en temps réel. En plus des cameras, nous nous appuierons sur plusieurs familles de nouveaux capteurs en étudiant jusqu'à quel point le caractère privé des données peut être préservé face aux algorithmes capables d'exploiter des corrélations complexes dans des données multi-modales. Des avancées permettront d'utiliser plus aisément des capteurs innovants tout en traitant un sujet qui soulève beaucoup de questionnement de la part du public.

Le surrisque des usagers de deux-roues motorisés (2RM) est toujours très important : le risque d’être tué pour un conducteur de 2RM est 22 fois plus élevé que celui d’un conducteur de véhicules de tourisme. Hors agglomération, les motocyclistes décèdent en courbe dans 49 % des cas. Lors de la prise de virage, les conducteurs alternent entre des prises d’informations visuelles de court terme pour le contrôle de la trajectoire et l’anticipation des aléas dans l’environnement routier. Du fait de la dynamique complexe des 2RM toute perte de stabilité liée à une manœuvre d’urgence peut entraîner une perte de contrôle et conduire à un accident. Le passage des conducteurs aux 2RM électriques pose des questions de sécurité routière liées à la modification de la signature sonore et à la modification de la dynamique du véhicule. L’absence de bruit entraîne une difficulté supplémentaire pour apprécier sa vitesse à l’approche d’un virage ou une distraction supplémentaire du fait de regards plus fréquents sur l’afficheur de vitesse, ces deux points rendant le contrôle de la trajectoire plus complexe. La dynamique des propulsions électriques, différente de celle des propulsions thermiques avec des couples très importants dès les faibles régimes moteur, est problématique lors des phases de réaccélérations en sortie de virage, et lors de manœuvres à basse vitesse, comme par exemple le démarrage au feu et la réalisation d’une manœuvre de tourner à droite. Dans ces deux cas il y a des risques de perte d’adhérence et donc de trajectoire. Ces éléments sont défavorables pour la sécurité routière. Le projet eMC2 propose de combler les lacunes sur la connaissance des difficultés rencontrées par les conducteurs de 2RMs électriques en les comparant à celles rencontrées par les usagers de 2RMs thermiques. Sur la base des résultats acquis le projet ambitionne de proposer un ensemble de mesures d’accompagnement pour un passage « sûr » des conducteurs des 2RM thermiques aux 2RM électriques.