Exergie et dynamique trans-échelle pour les systèmes énergétiques durables (ExSE)

Défi scientifique :

Nos travaux portent sur la notion d’exergie appliquée aux systèmes énergétiques dans un contexte de développement durable. Il s’agit de développer des méthodes de représentation, d’analyse et d’optimisation fondées sur le concept d’exergie, des méthodes qui accompagnent une mise en avant de systèmes énergétiques et technologies relevant d’un développement prenant en compte les impacts sur l’environnement. Notre projet part du constat que la notion d’exergie fait partie des outils scientifiques utilisés aussi bien par le domaine de l’industrie et des énergies que par celui des études des impacts sur l’environnement et les écosystèmes à travers le concept d’eco-exergie. L’exergie apparaît donc comme la quantité physique incontournable au développement d’un critère de développement durable qui serait indépendant des différents groupes de pression économiques, un critère qui possède l’avantage d’être fondé sur le second principe de la thermodynamique ce qui lui confère une neutralité politique. Pour cela, il faut pouvoir rendre accessible aux décideurs et au plus grand nombre la notion d’exergie relevant de la thermodynamique des systèmes ouverts. Nous développons donc des outils de représentation simples des bilans exergétiques de manière à visualiser et rendre palpable les délicats concepts d’entropie, d’exergie et d’intégration thermique. Ces outils sont basés sur diverses analogies, graphiques et mécaniques, qui ont été rendues possibles grâce à une recherche fondamentale sur une dynamique trans-échelles des systèmes qui a trouvé de nombreuses applications en physique et en ingéniérie.

Chercheurs permanents :

Mots clés :

Exergie, production d’entropie, thermodynamique en temps et dimensions finies, théorie constructale, géométries multi-échelles, fractales, théorie de l’information, résilience industrielle, systèmes énergétiques, intégration systémique, pinch analysis, développement durable, énergies renouvelables, moteur Stirling, énergie solaire, rafraîchissement solaire, cogénération, hybridation énergétique, socio-énergie, géopolitique des énergies

Résultats marquants :

Représentation géomètrique de l'entropie et de l'exergie.
Promotion des systèmes à énergie renouvelable utilisant le concept d'exergie.
Optimisation exergétique des systèmes énergétiques.

Projet scientifique :

Notre groupe possède une double compétence qui permettra à ce projet d’atteindre ses objectifs : (i) une connaissance des systèmes énergétiques et, plus particulièrement, des méthodes d’analyse et d’optimisation dans un contexte d’économie et d’intégration systémique ; (ii) une compétence dans un domaine relevant de la physique fondamentale : les dynamiques multi-échelles avec l’introduction de la notion nouvelle de diffusivité d’échelle. La convergence de ces deux domaines - l’un axé sur les systèmes énergétiques et l’autre relevant de l’échelle des phénomènes - permettent de développer des outils originaux de représentation simple et pédagogique des bilans exergétiques des systèmes. Le tout est fondé sur une théorie multi-échelles de la thermodynamique des systèmes ouverts qui, à moyen terme, nous donnera une représentation graphique de la production d’entropie d’un système. Nous disposerons alors d’un outil de communication et de sensibilisation aux économies d’énergie à travers un agencement adéquat des systèmes et une utilisation rationnelle (en termes de pertes exergétiques) des différents types d’énergie. La tendance forte aux hybridations d’énergie et à la densification des échanges donne aux approches exergétiques une légitimité évidente.
 
Notre projet scientifique comporte trois objectifs fortement couplés qui définissent et relèvent chacun d’une échelle spécifique d’analyse : (i) l’échelle des phénomènes avec le développement d’une thermodynamique fondée sur une dynamique trans-échelles qui a trouvé des applications pertinentes dans le domaine de la turbulence, de l’astrophysique, des sprays, des réseaux constructifs (réseaux optimisés pour la distribution de matière et d’énergie par une minimisation ou équipartition de la production d’entropie) et des systèmes quantiques; (ii) l’échelle des machines thermiques et des systèmes énergétiques où l’exergie permet d’analyser et d’optimiser des machines existantes ou en phase de projet; (iii) les échelles urbaines, nationales et globales auxquelles se réfèrent une discipline émergente dite « socio-énergie » et une économie et géopolitique des énergies qu’il est possible d’étudier avec le concept d’exergie multi-échelles (exergo-économie).

Objectif 1 : Thermodynamique trans-échelles et analogies pour une représentation simplifiée des bilans entropiques et exergétiques
Nous poursuivrons le travail engagé en collaboration avec Michel Feidt du LEMTA (Université Henri Poincaré), spécialiste de la thermodynamique hors équilibre. Le défi scientifique – qui représenterait une avancée majeure – est de faire émerger une représentation visuelle et simple de la notion d’entropie et, par voie de conséquence, une représentation graphique des bilans entropiques et exergétiques. Notre projet – déjà bien avancé sur le plan théorique – a pour objectif de développer une interface graphique basée sur des concepts de géométrie multi-échelles qui permettra de représenter géométriquement, à l'aide de formes appropriées, la dégradation de la qualité d'une énergie (exergie). Afin de montrer son intérêt scientifique et pédagogique, nous appliquerons cet outil aux bilans exergétiques réalisés sur différents systèmes énergétiques notamment des centrales de cogénération, des cycles combinés, des cycles complexes utilisant le solaire comme source chaude mais aussi sur des agro-écosystèmes. L'intérêt de cette approche théorique et de cette interface graphique est de rendre plus accessibles des concepts dont l'importance cruciale est reconnue par toute la communauté scientifique mais qui restent difficiles à communiquer.

Objectif 2 : Exergie pour l’analyse, le développement et l’optimisation des systèmes énergétiques à faible impact environnemental
Les travaux menés sur des machines thermiques et des systèmes énergétiques plus propres, économes et respectueux de l’environnement seront poursuivis. Une méthodologie originale et rigoureuse de caractérisation des systèmes énergétiques dans un contexte de développement durable est développée. L’intérêt de cette approche pour la promotion des technologies de production d’électricité et de chaleur mises en avant par ces travaux ne fait pas de doute et nous développons de nombreux contacts internationaux dont l’objectif est de faire émerger une sensibilité européenne à ces questions. Le colloque EXERGY 2011 que nous avons organisé en 2011 à l’Université Université Paris Nanterre a ainsi permis de réunir plus de 150 personnes venant de tous horizons (industriels, universitaires, monde associatif). Il s’agit à travers cet objectif de montrer toutes les potentialités de l’énergie solaire, des moteurs Stirling et de la cogénération pour le développement durable. L’exergie apparaît alors comme le concept phare qui accompagne le développement des énergies renouvelables. Dans ce contexte, des relations privilégiées avec des pays ou des régions menant des politiques énergétiques axées sur les énergies renouvelables seront consolidées. Citons entre autres les liens que nous comptons tisser avec l’Institut Royal des Etudes Stratégiques du Maroc (avec Yamine Lyamini), un pays où un vaste programme de développement des énergies renouvelables (éolien, solaire) est actuellement à l’œuvre. Les relations avec le monde industriel seront privilégiées, afin de montrer l’intérêt de l’approche exergétique dans un cadre appliqué. Nous sommes actuellement impliqués dans un projet industriel de conception de Micro-centrale solaire thermodynamique (MICROSOL) qui regroupe 7 partenaires industriels (dont Schneider Electric, le porteur du projet) et 2 partenaires universitaires, financé par l’ADEME. L’objectif de ce projet est d’électrifier des villages dans des régions isolées relevant de pays du Tiers monde, avec une installation du prototype prévue en 2013 sur le site CEA de Cadarache. Un deuxième projet industriel, dans le domaine du rafraîchissement solaire, est en gestation avec GDF.

Objectif 3 : Exergie, économie, socio-énergie et géopolitiques énergétiques
Puisque l’énergie n’est plus la quantité pertinente pour saisir un système énergétique et que l’exergie progressivement prend sa place, il devient nécessaire de développer une économie des systèmes fondée sur le coût de l’exergie. Des expériences pilotes ont démarré en Suisse. Une exergo-économie devrait se mettre en place dans les décennies qui viennent. Nous espérons à travers ce projet promouvoir cette discipline et contribuer à cette orientation scientifique qui semble la seule façon de dépasser les divergences entre les intérêts des différents acteurs économiques. Nous travaillerons donc à la définition d’une comptabilité exergétique des systèmes et de la consommation énergétique. Il s’agit ici d’un parcours qui va de l’énergie vers le champ économique mais nous tenterons aussi le chemin inverse : de l’économie vers l’exergie. Ainsi, grâce à diverses collaborations et, plus particulièrement, avec l’économiste Ajit Sinha (Institute for New Economic Thinking), nous montrerons que certains modèles économiques intègrent (sans le savoir) dans leurs fondements la notion d’exergie. Nous travaillerons principalement sur les modèles économiques de Ricardo et surtout sur celui de Piero Sraffa dont le modèle économique apparaît comme un bilan exergétique caché. Ce travail a forcément des implications sur les géopolitiques énergétiques qui travaillent aujourd’hui en profondeur les relations internationales. Nous montrerons comment l’exergie et son approche multi-échelles peut nous aider à une analyse et même permettre des prédictions en terme de géopolitique des énergies dans un contexte de densification et de globalisation des échanges économiques.

Collaborations Universitaires :

Université Politehnica de Bucarest, Roumanie
Institute for New Economic Thinking, Mumbaï University, Inde
Institut Royal des Etudes Stratégiques, Rabat, Maroc
Duke University, USA
Université Henri Poincaré, Nancy.

Partenaires Industriels :

Schneider Electric, projet MICROSOL ; STIRAL, conception de moteur Stirling ; SAED, conception de champ solaire ; EXOES, système Rankine à fluide organique

Contact :

diogo.queiros-conde@u-paris10.fr