Vous êtes ici : Accueil > Liten > Offres de stages > Offre de stage 2017-2018

Offre de stage 2017-2018

Publié le 17 novembre 2017

Développement d'un banc de transfert de polluants dans un sol modèle : application à l'étude de la fin de vie de nanomatériaux

Les nanoparticules manufacturées ont été développées et utilisées depuis quelques dizaines d'années du fait de leurs propriétés physico-chimiques uniques. L'incidence des nanomatériaux sur l'environnement et la santé humaine n'est toutefois pas totalement élucidée et leur devenir est alors un point important à considérer en fin de cycle de vie, après leur relâchement dans l'environnement.  Les mécanismes de transport, de dépôt et de remobilisation des nanoparticules dans les sols, qui sont des compartiments possibles d'accumulation, sont complexes et dépendent de nombreux facteurs. Afin de mieux appréhender ces mécanismes, des expériences en colonne de laboratoire sont effectuées pour déterminer l'influence de divers paramètres -tels que la taille, la forme et la concentration en particules, la force ionique ou le pH du milieu, la vitesse d'écoulement du fluide- sur le transport et le dépôt de colloïdes dans un sol naturel. Ces études en colonne nécessitent l'instrumentation d'un banc comprenant la colonne de sol et les techniques analytiques permettant le suivi « en ligne » de l'effluent. 

Le stage proposé fait suite à un premier volet de faisabilité incluant une optimisation des conditions expérimentales et les développements analytiques associés, ainsi que l’application au suivi de résidus de crèmes solaires (contenant un filtre anti-UV minéral de type nanoTiO2) dans un sol modèle simple constitué de sable.


Développement d'un procédé de séparation par chromatographie continue (SMB) pour l'extraction des métaux de transition dans les accumulateurs de type Li-ion

La montée en puissance du secteur des énergies vertes et la filière du stockage électrique par batterie est en pleine croissance, notamment dans le domaine de l'automobile. La COP21 a permis à de nombreux états d'officialiser leur participation active dans la lutte contre le changement climatique. Dans un monde décarboné, les énergies renouvelables apparaissent comme la solution pour une production d'électricité verte. Cependant, l'intégration de ces technologies doit tenir compte de leur fin de vie et donc de leur recyclage. Pour cette raison, la législation européenne impose des minimas suivant les technologies. Il est donc question de définir des procédés efficients qui tiennent compte de l'ensemble des enjeux (environnementaux, législatifs et économiques).

C'est dans ce contexte que le Laboratoire de Recyclage et Valorisation des Matériaux (LRVM) du DTNM intervient notamment, avec l'étude et la mise au point de solutions de recyclage des principales technologies développées au sein du LITEN. Ces procédés doivent offrir des solutions de traitement des batteries en fin de vie. Le projet proposé vise à définir et à évaluer un procédé de récupération de type chromatographie à lit mobile simulé pour la séparation des métaux contenues dans des accumulateurs de type Li-ion. L'objectif final du stage est de proposer des conditions de traitement et de définir les voies d'amélioration permettant par la suite d'assurer la récupération et la valorisation des métaux contenus dans les batteries Li-ion.


Modélisation thermochimique d’un four de tirage Cz de silicium monocristallin

Dans le cadre de ses activités le SMCP (Service des Matériaux et Cellules Photovoltaïques) travaille, entre autre, sur la cristallisation du silicium pour applications photovoltaïques. Cette étape, essentielle dans le procédé de fabrication de lingots de Silicium se fait à l'aide de fours spécifiques où la thermique joue un rôle majeur. La modélisation numérique apporte un soutien notable dans le développement de nouveaux composants et l'amélioration du fonctionnement de ces fours. Aujourd'hui les modèles numériques développés au SMCP apportent des réponses au niveau de la thermique globale des fours et des écoulements engendrés dans le bain de silicium en phase de fusion et de cristallisation.
 
Travail demandé :
L'objectif principal du stage consiste à modéliser numériquement puis à simuler en régime dynamique un cycle complet (chauffe, fusion, cristallisation et refroidissement) du four de tirage de silicium monocristallin. Sur la base du logiciel ANSYS-FLUENT, un travail préliminaire a déjà été réalisé afin de définir un premier modèle thermohydraulique 2D-axisymétrique stationnaire du four.

Caractérisation électrique des interfaces multicouches/silicium des cellules photovoltaïques de seconde génération à contacts passivés

Le sujet de stage se place dans un contexte de développement de technologies pour la fabrication de cellules photovoltaïques silicium homojonction à haut rendement (≥23%). Un des axes de recherche consiste en l'élaboration et la caractérisation de matériaux de contacts transparents et conducteurs, pouvant être utilisés sur des profils de dopage très fins. Or, les propriétés de transport électrique entre ces oxydes conducteurs et le silicium restent peu connues surtout lors de la présence de fine couches de passivation « tunnel ». L'objectif du stage, basé sur la caractérisation des interfaces des couches précédemment citées, concerne le développement de connaissances nouvelles sur les propriétés de transport des charges au travers de ces structures de collecte inédites. Durant le stage l'étudiant(e) sera amené à utiliser des équipements de dépôt ALD (Atomic Layer Deposition) et PVD (Physical Vapour Deposition) pour réaliser des couches d'Oxydes Transparents Conducteurs (OTC) et de passivation « tunnel ». Afin de déterminer les propriétés des différentes couches et de leurs contacts, il devra faire appel à des techniques de caractérisation électrique (4 pointes, mesure de durée de vie des électrons, TLM, I-V). Le lien entre propriétés de contact et performance de la cellule photovoltaïque pourra alors être établi.


Elaboration et caractérisation d’empilements oxyde mince / poly-silicium pour applications photovoltaïques.

Les cellules photovoltaïques basées sur silicium monocristallin (c-Si) industrialisées aujourd'hui permettent d'atteindre des rendements de conversion supérieurs à 20%. Afin de prendre le contact sur ce type de cellule, une pâte métallique (argent ou aluminium) est déposée puis recuite à haute température. Un contact direct entre le métal et le c-Si dopé est alors formé, ce qui permet de collecter efficacement les charges. Cependant les interfaces métal/c-Si sont très fortement recombinantes, ce qui limite les performances des cellules. Une approche émergente pour résoudre ce problème consiste à intégrer un oxyde de silicium très mince (< 2 nm) entre le substrat c-Si et l'émetteur (un dépôt de poly-silicium (poly-Si) fortement dopé). Cette couche d'oxyde mince permet de passiver la surface du c-Si tout en permettant le passage des charges électriques entre le substrat et l'émetteur. Cette approche a déjà démontré de très bonnes performances en intégration cellule (rendements proches de 26%). L'objectif du stage est d'explorer une voie de dopage ex situ innovante de l'émetteur poly-Si. Les axes d'étude privilégiés au cours de ce stage sont les suivants: • Elaboration d'empilements oxyde mince / poly-Si - dopage ex situ du poly-Si • Caractérisation des propriétés de dopage et conduction (mesure 4 pointes, ECV, Effet Hall) de ces empilements • Propriétés de passivation de ces empilements (IC-PCD en température)


Etude des mécanismes de bonification sous éclairement des cellules photovoltaïques à hétérojonction de silicium

La production d'électricité à partir de la conversion photovoltaïque (PV) est devenue incontournable, avec une capacité installée à l'échelle internationale supérieure à 200GW en 2016 et une croissance soutenue de près de 40GW chaque année. Parmi les architectures de cellules existantes, les cellules à hétérojonction de silicium (SHJ) ont démontré le meilleur potentiel de rendement de conversion sur cellule de grande surface (25,1% obtenu en laboratoire). Toutefois, les cellules SHJ sont connues pour présenter des instabilités du rendement de conversion énergétique si elles sont éclairées et/ou chauffées. Ces instabilités sont de faible amplitude mais non négligeables dans un contexte où le rendement de conversion doit être maximisé. En particulier, il a été démontré que l'action conjointe de la température et de l'éclairement permettait d'augmenter de manière non négligeable les performances des cellules SHJ. Néanmoins, la « bonification » ainsi observée prend place sur des durées supérieures à la demi-heure, et reste difficilement compatible avec les cadences industrielles. Toutefois, les valeurs d'éclairement utilisées pour ces études préliminaires demeurent relativement faibles (1000 W/m² environ).

Grâce à des équipements spécifiques présents dans les laboratoires voisins sur le site du CEAINES (LCPV et LSPV), il est possible d'avoir accès à une gamme d'éclairements plus élevée et jusque-là inexplorée. Dans ce contexte, le but du stage sera d'évaluer le potentiel de ces éclairements haute-puissance avec comme objectif de développer un traitement de bonification adapté à une ligne industrielle de fabrication de cellules solaires.  .


Étude approfondie des caractéristiques de formation des donneurs thermiques dans le silicium monocristallin destiné à la fabrication de cellules photovoltaïques

L'augmentation des rendements de conversion énergétiques des cellules photovoltaïques nécessite l'utilisation de substrats de silicium de qualité sans cesse croissante. Un défaut principal présent dans les substrats, appelé « donneur thermique », est généré dès l'étape de croissance du lingot monocristallin à partir des atomes d'oxygène présent dans la maille de silicium. Par ailleurs, la concentration en donneurs thermiques est susceptible de croître dans les lingots futurs (en lien avec l'augmentation prévue de la taille des lingots), ce qui pourrait compromettre l'obtention de substrats de qualité. Dans ce contexte, il est central de comprendre précisément avec quelle cinétique est généré ce défaut au cours de la cristallisation du lingot, afin, en retour, de pouvoir proposer des pistes pour en limiter la concentration finale. Bien que de très nombreux travaux aient été menés sur l'étude de ce défaut, il n'en reste pas moins que les modèles solides permettant de décrire la cinétique et l'amplitude de formation du défaut en fonction de la température (entre 350 et 600°C environ) et de la concentration en oxygène sont à ce jour inexistants. 
 
Afin de pallier ce manque, le travail proposé consistera à établir ce modèle sur la base de nombreux échantillons dont les propriétés compositionnelles (notamment teneur en oxygène) sont connus et varient sur une large gamme. 

Détections et analyses de défauts de cellules photovoltaïques par luminescence

La production d'électricité à partir de la conversion photovoltaïque (PV) est devenue incontournable, avec une capacité installée à l'échelle internationale supérieure à 200GW en 2016 et une croissance soutenue de près de 40GW chaque année. Le marché est dominé par les technologies à base de silicium (Si) cristallin qui représentent plus de 90% de la production annuelle de modules PV. Pour favoriser encore la pénétration de cette ressource dite « renouvelable », il est nécessaire de développer des technologies toujours plus performantes à des coûts maîtrisés. La filière des cellules PV à hétérojonctions de silicium (SHJ) combinant un absorbeur de silicium cristallin (c-Si) et des couches minces de silicium amorphe hydrogénée (a-Si :H) a par exemple démontré un potentiel de rendement supérieur à celui des technologies standards de la filière silicium, avec 25,1 % obtenu sur grande surface en laboratoire. Le laboratoire des cellules à hétérojonctions (LHET) du CEA-INES développe et opère une ligne de fabrication pré-industrielle de dispositifs SHJ. Sur la ligne de production, certaines manipulations peuvent induire des défauts sur les cellules, pouvant détériorer leurs performances. Pour assurer la maîtrise de l'outil industriel et consolider les connaissances sur les effets potentiellement délétères de ces défauts, un outil de détection automatique de ces défauts à partir d'images de luminescence a été développé.

Après s'être familiarisé avec la technique d'acquisition par photoluminescence et l'outil de détection automatique des défauts, le/la candidat(e) étudiera l'influence des paramètres d'acquisition et de traitement d'images sur les résultats de l'analyse automatique. Il/elle s'attachera ensuite à caractériser l'influence de différents types de défauts pouvant apparaître de façon récurrente sur les dispositifs SHJ issus de la ligne pilote du laboratoire d'accueil, déterminer leur criticité et leur origine. Les résultats obtenus pourront être intégrés au programme de détection et ainsi renforcer sa pertinence en tant qu'outil prédictif des performances des cellules à hétérojonctions de silicium. Dans un dernier volet, le/la candidat(e) pourra étudier la possibilité d'étendre cet outil à d'autres technologies de cellules.

Gestion de la contamination dans l'environnement de fabrication des cellules solaires photovoltaïques : amélioration des procédures de contrôles et des transferts de plaquettes

L'optimisation de l'utilisation des outils de production et la nécessité de gagner en efficacité peuvent conduire à la réalisation d'étapes de fabrication de cellules photovoltaïques au sein de différentes salles blanches sur un même site.
Ces différentes localisations imposent ainsi le transfert de plaquettes de silicium d'un lieu à l'autre à différentes étapes du procédé de fabrication des cellules. Ces transferts peuvent être source de contaminations en surface des plaquettes, contaminations susceptibles d'altérer les performances des dispositifs finaux. L'un des facteurs clés pour l'augmentation des rendements de conversion des cellules est d'une part l'évaluation de la contamination, et d'autre part la gestion des contaminations.
Une procédure a ainsi été mise en place pour permettre ces transferts et minimiser les contaminations. Des étapes de nettoyages post-transfert sont notamment  effectuées de façon systématique. 
Le stagiaire évaluera dans un premier temps l'efficacité de la procédure existante sur le plan logistique mais aussi la nécessité et l'efficacité des nettoyages effectués. Il travaillera ensuite sur la méthode permettant de qualifier les nettoyages chimiques nécessaires à la réintégration des plaquettes dans le procédé de fabrication des cellules. Il s'agira notamment de comprendre au moyen de simulation, l'effet des différents contaminants initialement présents sur les surfaces, sur la dégradation des performances électriques après une étape de recuit (utilisée dans la méthode de qualification) des plaquettes de silicium.

Gestion Optimale d’un parc de production multi-énergies pour réseau de chaleur

Le stage proposé se déroulera au sein du Laboratoire des Systèmes Solaires Haute Température (LSHT) du CEA (Commissariat à l'Energie Atomique et Aux Energies Alternatives) basé à l'INES (Institut National de l'Energie Solaire) au cours de la période mars-aout 2018.
Dans le contexte environnemental actuel, les réseaux de chaleur connaissent un nouvel essor puisqu'ils permettent l'utilisation massive d'énergie thermique à faible teneur carbone (e.g. usine d'incinération, chaudière biomasse, géothermie, solaire thermique…). En outre, les couts du stockage d'énergie par voie thermique permettent d'imaginer des synergies très intéressantes entre les réseaux thermique et électrique, ce-dernier étant mis en tension par l'introduction croissante de sources renouvelables intermittentes. Le LSHT s'intéresse à ces thématiques dans le cadre de recherches partenariales avec des industriels et de programmes européens (e.g. projet H2020 PENTAGON http://www.pentagon-project.eu/ ), le tout en s'appuyant sur des moyens expérimentaux (micro-réseau de chaleur INES) et numériques de pointe.
L'objet du stage est de contribuer à la maximisation de l'efficacité opérationnelle d'un parc de production multi-énergies pour réseau de chaleur. Ce point est essentiel pour rentabiliser les investissements et limiter l'utilisation de générateurs de pointe, généralement coûteux et émetteurs de gaz à effet de serre. L'optimisation opérationnelle d'un réseau de chaleur est classiquement réalisée sur trois niveaux : la production, la distribution et la consommation. Au niveau de la production, le problème revient à planifier au mieux l'utilisation des différentes sources d'énergie (e.g. combustible, électricité, solaire …) en fonction premièrement de la demande prévue des utilisateurs, deuxièmement des prix de production, et troisièmement des possibilités de stockage d'énergie. Ce problème devient complexe dans le cas où l'on tient compte de l'influence de la température sur le fonctionnement du procédé.


Optimisation du procédé de transfert des électrodes de pile à combustible PEMFC

La filière hydrogène avec la pile à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC pour Proton Exchange Membrane Fuel Cell) est une des voies technologiques de production d'énergie les plus prometteuses pour les applications transports et/ou stationnaires. L'assemblage des composants de cœur de pile est une étape critique pour la réalisation d'AME (Assemblage Membrane Electrodes) électrochimiquement performants et présentant des tolérances géométriques rigoureuses.

L'objectif majeur de ce stage est d'optimiser les protocoles d'assemblage CCM (Couche Catalytique sur Membrane) par transfert de couches électrochimiquement actives sur des membranes échangeuses de protons très fines (quelques microns). Une étude des supports d'enduction (ETFE, ECTFE, PEN, téflon tramé, …) doit être menée pour optimiser le procédé de transfert (moule, température, contrainte…) à adapter aux différentes couches actives et membranes sélectionnées.

Le thermocollage des renforts périphériques devra ensuite être étudié afin de maîtriser l'assemblage de ces films polymères et des couches de diffusion et de limiter les dégradations dues aux surcontraintes.


Étude d'anodes à base de calcium dans des systèmes électrochimiques primaire ou secondaire

Actuellement, le marché des piles/batteries est surtout occupé par les technologies lithium. En effet les batteries utilisent majoritairement  des matériaux d'insertion lithium et les piles primaires  des anodes de lithium métallique. Ainsi, dans plusieurs technologies, le lithium métallique est utilisé en tant qu'électrode malgré les dangers inhérents à son utilisation.
Le principal danger du lithium est sa température de fusion assez basse (180 °C) ainsi que sa forte réactivité en cas d'anomalie dans une cellule qui le rendent très peu surs. De plus son prix est assez élevé. Le calcium (point de fusion 840 °C) pourrait rendre plusieurs types de technologies plus abordables et plus surs.
 
Ce stage a pour objectif d'évaluer les possibilités d'utilisation d'anodes à base de calcium, ou d'alliage comportant du Calcium dans des technologies primaires ou secondaires. 
Ainsi, le stage comportera différents volets de travail afin de lever les verrous technologiques qui existent actuellement: 
- Adaptation de l'électrolyte : synthèses et tests de sels d'électrolyte 
- Adaptation des anodes développées: mise en forme, caractérisations physico-chimiques
-       Adaptation des électrodes positives 

Exploitation d'une base de données de systèmes de stockage d'énergie

Le CEA a mis en place une base de données des systèmes de stockage d'énergie, permettant à la fois de capitaliser les données du CEA et de comparer entre elles les différentes technologies de stockage pour une application donnée.
Cette base devrait permettre facilement d'identifier les corrélations entre différents paramètres, ou de trouver la solution la mieux adaptée selon les contraintes d'une application et les critères que l'on cherche à optimiser.
Cependant, aujourd'hui, l'exploitation n'est pas optimale, et ce pour deux raisons principales. Tout d'abord le logiciel utilisé (Granta, sur une base SQL) est très adapté à la structuration et à la capitalisation des données, mais beaucoup moins à leur exploitation graphique notamment lorsqu'il s'agit de combiner plusieurs caractéristiques entre elles (exemple : diviser un coût par une durée de vie,...). D'autre part, les données rentrées sont fortement lacunaires, seule une fraction des attributs étant renseignée dans chaque fiche.
 
Le stage consistera à :
* réaliser des programmes Python permettant de tester la cohérence des données dans la base pour détecter automatiquement certaines erreurs de remplissage, et permettant aussi de compléter certaines données manquantes (exemple basique : la densité d'énergie en divisant l'énergie par la masse).
* réaliser des programmes Python permettant d'exploiter les données de la base pour en tirer des graphes pertinents (à définir) caractérisant chaque type de stockage d'énergie selon des critères communs. Exemples : coût par énergie et par cycle, ou énergie massique pour un rapport énergie/puissance donné,...
* analyser la complétude de la base (quelles caractéristiques sont remplies pour quels types de stockages d'énergie) pour déterminer les données qui manquent le plus cruellement dans la base, et commencer à ajouter certaines des données manquantes.


Optimisation numérique d'un échangeur de chaleur: mise en œuvre d'une méthode avancée sur un cas concret

IIllustrant le rôle du CEA d'aller de la recherche à l'industrie, les études sur les échangeurs de chaleur au sein du CEA-Grenoble s'appuient sur savoir et expérience accumulés depuis plusieurs décennies. Une demande récurrente de l'industrie faite aux ingénieurs et chercheur est d'optimiser des objets pour répondre à des défis technologiques sans cesse renouvelés. Dans ce contexte, le CEA- LITEN a développé des outils et une expertise. Les évolutions de la simulation numérique ouvrent aujourd'hui de nouvelles voies à l'optimisation de formes d'objets qui dépendent de la mécanique des fluides et de la thermique, comme les échangeurs de chaleur. Récemment, dans le cadre d'une thèse, une méthode numérique d'optimisation a été mise au point. Elle consiste en une chaîne d'outils. La chaîne CFD comprend les logiciels suivants : CAO (ANSYS Design Modeler), maillage (ANSYS Meshing), solveur (Code_Saturne développé par EDF ou ANSYS Fluent). Automatisée, elle produit un ensemble de résultats qui sont les données d'entrée de méta-modèles qui sont utilisés dans la méthode d'optimisation proprement dite qui fournit in fine une ou des solutions optimales. L'outil a été appliqué avec succès à un cas relativement académique : l'optimisation de forme d'un motif périodique (une bossette) sur une paroi, l'objectif de l'optimisation étant le maximum d'intensification des échanges de chaleur pour un minimum de traînée. 
Le stage consiste à appliquer la méthode à un cas plus proche des enjeux technologiques réels : l'optimisation d'un échangeur de chaleur dans son intégralité, a priori à tubes et calandre. La première partie du stage aura pour objectif le choix précis du cas et sa définition, à positionner par rapport à l'état de l'art et à la littérature la plus récente. Viendront ensuite la prise en main des outils dans la mise en œuvre du cas, puis les simulations et l'optimisation. 

Modélisation et caractérisation expérimentale d’un canal de réacteur-échangeur catalytique pour l’hydrogénation du CO2 hydrocarbures liquides

Les énergies renouvelables (EnR) sont caractérisées par leur intermittence, de ce fait, le stockage de l'énergie est un facteur clé de leur développement. Dans ce contexte, la conversion d'électricité issue d'EnR sur un vecteur hydrocarboné est étudiée. Plus précisément, on s'intéresse à la réaction catalytique consommant de l'hydrogène (obtenu par voie électrolytique) et du CO2 (issu d'un procédé de séparation) pour produire des chaines hydrocarbonées en vue d'un post-traitement vers des carburants liquides.
L'objectif du stage est de modéliser et de caractériser expérimentalement un canal de réacteur-échangeur catalytique compact à plaque pour l'hydrogénation directe du CO2 en hydrocarbures (typiquement C5 à C20). Le taux de conversion et la sélectivité de la synthèse sont conditionnés par la cinétique de la réaction, le transport des réactifs et de produits mais aussi par l'évolution de température le long du réacteur. Durant ce stage, on caractérisera expérimentalement le comportement thermique des catalyseurs et on définira par la modélisation les conditions d'essais avant de mener une campagne d'essais et d'analyser les résultats obtenus.
Le stage se déroulera au CEA/LITEN à Grenoble, au sein du Laboratoire des Echangeurs et Réacteurs et comprendra les étapes suivantes :
- Caractériser expérimentalement les propriétés thermiques (conductivité équivalente et coefficient d'échange) des catalyseurs présélectionnés. 
- Définir les conditions expérimentales (choix des pressions, GHSV, températures) par simulation numérique (cinétique hétérogène, thermique et fluidique) à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics en lien avec les possibilités des bâtis d'essais disponibles au laboratoire. 
- Participer à la réalisation des essais et à la mesure des produits formés.
- Analyser les résultats et proposer une extrapolation du procédé à l'échelle d'un réacteur compact (quelques Nm3/h de réactifs)

Brasage hors four de pièces en cuivre à l’aide de substrats pyrophoriques

Contexte : 
La thématique du brasage hors four intéresse de plus en plus d’industriels que ce soit pour simplifier et réduire le coût de leurs procédés de fabrication ou pour réparer leurs pièces. Une des approches que nous souhaitons étudier pour répondre à cette thématique est l’utilisation de la réaction d’aluminothermie qui est couramment utilisée dans l’industrie pour assembler des rails de chemin de fer ou des connecteurs à l’air libre. Cependant, à l’instar de ce qui existe (mélange de poudre d’aluminium et d’oxyde de fer dans un creuset), nous souhaitons plutôt étudier l’utilisation de couches minces pour réaliser des assemblages ponctuels dans un environnement contraint en maitrisant l’apport de la source de chaleur pour qu’elle n’affecte que la jonction à réaliser.
 
Le but du stage :
Le travail du stagiaire consistera à fabriquer des couches pyrophoriques minces ou à utiliser celles du commerce de plus fortes épaisseurs pour réaliser et caractériser des assemblages cuivre/cuivre de petites dimensions (20x20mm²). Les couples pyrophoriques qui seront étudiés seront Al/CuO et Ni/Al. Le premier de ces couples sera fabriqué par PVD en alternant le dépôt de couches d’aluminium et d’oxyde de cuivre de faible épaisseur pour obtenir un sandwich de quelques µm seulement. Ces dépôts pourront être réalisés directement sur la surface du cuivre pur soit sur les deux faces d’un alliage de brasure dont la température de fusion est plus faible que celle du cuivre. Le deuxième couple est obtenu par un assemblage de feuilles minces de nickel et d’aluminium pour former un sandwich dont l’épaisseur totale varie entre 40 et 80µm. Ces sandwichs sont disponibles commercialement et pourront être utilisés de la même manière que pour le couple Al/CuO.
Le stagiaire devra effectuer un important travail de caractérisation pour observer la structure des couches pyrophoriques, analyser leur composition et mesurer à la fois la quantité de chaleur qu’elles peuvent libérer et leurs vitesses de propagation. Les caractérisations s’étendront également aux assemblages pour déterminer les produits de la réaction et la structure/résistance des joints obtenus. Pour ce faire le stagiaire utilisera un panel de techniques présent aux seins des Laboratoires dont MEB, DRX, SDL (spectromètre à décharge luminescente), DSC (ou ATD/ATG), et les techniques classiques de caractérisations mécaniques (machine de traction électromécanique).

Modélisation et extrapolation des échangeurs/réacteurs à milli-canaux structurés

L'intérêt des échangeurs/réacteurs structurés comme moyen d'intensification des procédés a largement été démontré, notamment pour des applications de réactions chimiques exo- ou endo-thermiques. Le passage du batch au continu et la combinaison de deux opérations unitaires (échange thermique et réaction) au sein de la même unité permettent des gains en termes de productivité, de sécurité et de coûts énergétiques et environnementaux.

Si les performances et le dimensionnement dans le cas d'applications monophasiques liquides à des débits de l'ordre de 10 L/h (applications de chimie fine à haute valeur ajoutée) sont bien maîtrisés, beaucoup de procédés chimiques font intervenir des écoulements diphasiques (Gaz/Liquide ou Liquide/Liquide) ou des fluides visqueux. Ainsi, afin de développer des technologies les plus polyvalentes possibles, les échangeurs/réacteurs doivent être conçus en regard des diverses applications possibles.

L'objectif de ce stage est donc, au moyen d'outils numériques, de modéliser le comportement d'un échangeur/réacteur pour en prédire les performances en termes transferts thermique et massique selon diverses topologies d'écoulements (monophasique, diphasique liquide/liquide, visqueux) lors du processus d'extrapolation.

La première partie du stage consistera en une revue bibliographique des diverses études précédentes liées aux réacteurs de ce type, axée sur les données expérimentales disponibles (cartographies d'écoulement, coefficients de transfert de matière et de chaleur,…) et la modélisation des écoulements monophasique et diphasique (liquide/liquide) dans le canal du réacteur. Une étude fine type CFD dans quelques coudes du canal est envisagée pour modéliser l'écoulement et caractériser l'évolution des coefficients de transfert thermique et massique et de dispersion axiale lors du processus d'extrapolation du canal. Après établissement des lois de transfert et en raison de l'aspect très allongé du canal, une modélisation 1D de l'écoulement en stationnaire sera ensuite entreprise pour estimer les performances globales du réacteur. Les phénomènes physiques mis en jeu dans l'écoulement seront analysés et modélisés à l'aide du logiciel COMSOL. L'analyse, la modélisation et la validation de la modélisation s'appuieront sur des résultats expérimentaux déjà disponibles.


Evaluation technico-économique d’un cas d’étude d’usage d’hydrogène renouvelable dans le cadre d’un projet collaboratif européen.

Au sein du Département Thermique, Bioressources et Hydrogène du CEA/LITEN, le Laboratoire d'évaluations technico-économiques, environnementales et démonstrateurs (L2ED) a notamment pour objectif d'évaluer des systèmes énergétiques innovants incluant en particulier des moyens de production d'énergie renouvelable et des technologies de stockage de l'énergie. 
La réalisation de ces études s'appuie sur une activité de modélisation / simulation de ces systèmes. A ce titre, une plateforme de simulation a été développée, qui permet l'optimisation du dimensionnement des composants et des stratégies de gestion de l'énergie régissant le fonctionnement de ces systèmes. 
Le travail de stage proposé s'inscrit dans le cadre d'un projet européen multipartenaires (ELY4OFF) visant à développer un système d'électrolyse alimenté par un champ photovoltaïque. Dans ce projet, le L2ED a pour mission de réaliser l'évaluation technico-économique de plusieurs cas d'étude mettant en œuvre un système d'électrolyse et la production d'hydrogène pour des usages (production d'électricité par pile à combustible, mobilité, injection dans le réseau de gaz, hydrogène vert pour l'industrie…) et des ressources renouvelables variés (situation géographie, type d'EnR…). 
L'objectif du stage est de mener à bien un cas d'étude complet depuis sa définition jusqu'à la réalisation des simulations en passant par le recueil de données auprès des partenaires européens et la modélisation. L'outil qui sera utilisé pour modélisation et simuler le cas d'étude d'un point de vue technico-économique sera le logiciel ODYSSEY développé au L2ED.

Optimisation de la méthode de résolution d’un logiciel de simulation de systèmes multi énergies

Au sein du Département Thermique, Bioressources et Hydrogène du CEA/LITEN, le Laboratoire d'évaluations technico-économiques, environnementales et démonstrateurs (L2ED) a notamment pour objectif d'évaluer des systèmes énergétiques innovants incluant en particulier des moyens de production d'énergie renouvelable et des technologies de stockage de l'énergie au moyen de plusieurs vecteurs énergétiques : électricité, gaz, chaleur, froid...

La réalisation de ces études s'appuie sur une activité de modélisation / simulation de ces systèmes, qui couvre des échelles allant du bâtiment ou de systèmes industriels jusqu'à des territoires (quartiers, métropoles, îles).

A ce titre, une plateforme de simulation a été développée. Elle permet le pré-dimensionnement ou l'optimisation du dimensionnement des composants et des stratégies de gestion de l'énergie permettant à ces systèmes de produire, stocker et restituer l'énergie à un coût compétitif tout en satisfaisant au mieux les besoins des utilisateurs (ou opérateurs) du système.

La modélisation d'un système énergétique par cette plateforme logicielle nécessite de définir :

- l'architecture du système énergétique à étudier, sous la forme d'un assemblage de modèles de composants technologiques disponibles et enrichis selon les besoins,

- les données d'entrée représentant les sollicitations du système (production source, ou charge à satisfaire),

- Les contraintes d'opération ou services à rendre par ce système qui permettront de définir les stratégies d'opération de ce système (ex : lissage, écrêtage, …).

Une simulation type consiste alors à étudier l'évolution du système énergétique sur un horizon temporel (un an par exemple) dans cet environnement de charges et de productions ENR intermittentes en recherchant à chaque instant à assurer l'équilibre énergétique du système, en fonction des stratégies d'opérations définies par l'utilisateur sous forme de règles logiques.

La recherche de cette solution à chaque pas de temps est partiellement itérative, et partiellement séquentielle entre les différents vecteurs énergétiques. Cela évite une mise en équation générale, tout en étant suffisamment rapide et robuste sur les cas traités jusqu'ici, au prix d'une certaine complexité logique et d'une difficulté de résolution générique couplée des vecteurs énergétiques possibles.

L'objectif du stage est de poursuivre cette première analyse pour rechercher, proposer et si possible mettre en œuvre une méthode de résolution permettant un meilleur couplage entre les différents vecteurs énergétiques à chaque instant, tout en préservant les qualités de robustesse et rapidité de la méthode de résolution actuelle.


Développement de multicouches diélectriques pour la face avant des cellules à homojonction; évaluation des pertes optiques, baisse de réflectivité et effet anti-PID

Le sujet de stage se place dans un contexte de développement de technologies pour la fabrication de cellules photovoltaïques silicium homo-jonction à haut rendement (≥21%). Un des axes de recherche concerne l'élaboration de couches diélectriques antireflets pour l'industrie photovoltaïque.

Le stage consistera à développer des couches diélectriques permettant de diminuer les pertes optiques de la cellule. Dans un premier temps l'objectif majeur consistera à établir une base de données sur les propriétés des différentes couches qu'il sera possible de déposer dans l'équipement PECVD et leur évolution en fonction des conditions de dépôt. Aidée par une simulation optique, des couches antireflets avancées seront ensuite développées. La validation se fera principalement au niveau de la mesure du gain optique, de la tenue au PID (dégradation lorsque le module est soumis à une tension élevée) et du rendement cellule.

Les travaux porteront principalement sur :

       - Le développement des recettes PECVD permettant le dépôt de différentes couches diélectriques homogène sur l'ensemble de la nacelle ;

       - Une caractérisation physico-chimique et électrique de différents matériaux diélectriques déposés (SiNx, SiOxNy, SiOx,...) en fonction des conditions de dépôts

       - L'intégration de ces différents matériaux dans divers procédés de cellules pour démontrer leur potentiel. 

Suivi et traitement des données de DURABILITE

Le CEA LITEN au sein de l'Institut National de l'Énergie Solaire basé au Bourget du Lac mène une activité de recherche et de développement dans le domaine des énergies solaires afin de répondre aux grands enjeux sociétaux concernant la production d'énergie renouvelable et leur développement. Ce travail s'inscrit dans une démarche mondiale de limite les effets de la consommation énergétique sur le réchauffement climatique.

Parmi les technologies solaires, le solaire thermodynamique à concentration (CSP) représente une alternative intéressante pour les régions à fort ensoleillement directes. Elle consiste à concentrer le rayonnement solaire à l'aide d'un champ de miroirs sur un récepteur dans lequel circule un fluide caloporteur. La transformation du flux lumineux concentré en chaleur est assurée par un matériau absorbeur en surface du récepteur.  La mesure des propriétés optiques est indispensable à la caractérisation des performances des absorbeurs, des vitres et des miroirs CSP. L'équipe « Durabilité » a capitalisé et accumulé depuis plusieurs années, un grand nombre de mesures qu'elle souhaite traiter de manière automatisée et stocker dans un outil existant commun développé en interne au CEA. 

Le stage a pour objectif d'automatiser les mesures et le traitement des données brutes de durabilité. Il y aura aussi un interfaçage avec l'outil commun développé au CEA.  Pour cela, le stagiaire pourra s'appuyer sur les compétences d'autres laboratoires du CEA pour mettre en place les méthodologies adaptées.



Modélisation de systèmes frigorifiques embarqués

Les systèmes frigorifiques ont un impact de plus en plus important sur la consommation en usage réel des véhicules. Ce système doit être optimisé tant sur des motorisations    "traditionnelles" que hybrides et électriques.
Le stage vise à évaluer des moyens d'optimisation de la fonction « réfrigération » sur des cas applicatifs et de quantifier les enjeux associés ainsi que la rentabilité des systèmes.
 Le travail durant ce stage consistera à :
 
  - Effectuer la modélisation d'une configuration de référence d'un cas applicatif lié au transport et vérifier la cohérence des résultats obtenus avec des données d'essais
  - Effectuer une étude bibliographique sur les solutions techniques d'optimisation envisageables pour ce type de système énergétique
   - Modéliser ces solutions d'optimisation afin d'en évaluer les enjeux (dimensionnement du système, consommation réelle…) et risques.
    - Effectuer une synthèse des différentes solutions afin de les positionner selon différents critères 

Etude Comparative de Systèmes de Production de Chaleur Solaire

Au sein du Laboratoire des Systèmes Solaires Haute Température (LSHT) de l'INES (Institut National de l'Energie Solaire), le stage a pour objet de réaliser une étude comparative de système de production de chaleur solaire.
Dans la cadre de la loi de transition énergétique, la France doit porter la part des Energies Renouvelables (EnR) à 23% de la Consommation Energétique Nationale. Une des voies pour atteindre cet objectif est l'utilisation de l'Energie Solaire pour la production d'Electricité (Photovoltaïque) ou de Chaleur (Solaire Thermique). Dans le cadre de ce stage, nous nous intéressons à la production de Chaleur pour des basses et moyennes températures, c'est-à-dire à des niveaux inférieurs à 250°C. Il existe plusieurs possibilités pour générer de la chaleur : soit on utilise un capteur thermique soit on utilise un capteur photovoltaïque que l'on couple avec une machine thermique (ou un convertisseur électrique vers thermique).
Avec l'augmentation des capacités de production des systèmes basés sur le photovoltaïque et la diminution du prix au m² ou au kWh installé de capteur, les solutions PV (photovoltaïque) et thermique peuvent donc potentiellement se retrouver en concurrence, surtout si la comparaison est limité au seul critère du coût d'investissement. Cependant le positionnement des différentes technologies est beaucoup plus complexe et nécessite de prendre pleinement en compte le besoin et l'application (température, puissance, site géographique…) ainsi que de définir correctement les critères de comparaison (économique, cycle de vie, impact carbone…).


Etude des phénomènes d’emballement thermique au cours de la torréfaction de biomasse

Bien connue dans le domaine de l'agroalimentaire, notamment pour la préparation du café ou du cacao, la torréfaction est un prétraitement qu'il est envisagé d'appliquer à la biomasse en vue de sa valorisation énergétique. Il s'agit dans ce cas d'un traitement réalisé généralement sous gaz neutre, pendant plusieurs dizaines de minutes, à des températures comprises entre 230 et 300°C. La biomasse ainsi traitée est plus friable et il devient plus facile (et moins couteux) de la broyer finement pour l'injecter dans des brûleurs. Ce traitement présente d'autres avantages, comme l'augmentation de la densité énergétique du solide ou l'obtention d'un matériau hygrophobe (résistance accrue aux dégradations biologiques).

Pour toutes ces raisons, la R&D sur la torréfaction dans les filières de valorisation énergétique de biomasse est en plein essor actuellement. Des travaux sont menés à la fois en recherche, en vue de comprendre les mécanismes de transformation du matériau, mais aussi sur le développement de procédés capables de mener à bien le traitement de grandes quantités de matériaux (plusieurs tonnes par heure).


Modélisation d’un système industriel incluant récupération d’énergie et stockages thermiques pour augmenter son efficacité énergétique

Dans le cadre d'un projet de recherche avec un partenaire de l'industrie agro-alimentaire qui produit des équipements de haut de gamme, essentiellement pour l'export, une étude est conduite afin de définir au mieux les modes de récupération et de stockage d'énergie adaptés pour des procédés en batch avec de nombreux cycles quotidiens de chauffage / refroidissement.

L'enjeu du projet est de définir l'intégration optimale de récupérateurs et de modules de stockage dans le système pour réduire la consommation d'énergie et ainsi de définir leur position dans le système, leur technologie (sensible ou à matériaux à changement de phase), leur température, leur dimensionnement, leur pilotage… La solution proposée doit s'adapter aux installations nouvelles ou déjà existantes et elle doit être modulaire pour correspondre à une gamme de puissance de procédés. Pour répondre à toutes ces exigences, il n'existe pas de réponse évidente. La modélisation de l'ensemble du système est un outil puissant pour déterminer cet optimum pour une configuration donnée. L'étape suivante est de proposée un outil de simulation, simple d'usage pour le partenaire industriel, permettant de déterminer l'optimum pour différentes types de configuration en intégrant de plus des données technico-économiques.


Compréhension de mécanismes catalytiques par dépôts de métaux et d'oxydes par MOCVD

Le Laboratoire des Surfaces Nano Structurées au CEA Grenoble développe des solutions catalytiques pour diverses applications telles que le traitement de l'air, la dépollution automobile, et la conversion chimique pour l'énergie.

Une solution consiste en particulier à déposer localement par le procédé de MOCVD des nanoparticules sur des supports poreux dans le but de favoriser à la fois la diffusion des espèces gazeuses et l'activité catalytique. Le procédé de MOCVD (méthode de dépôt chimique en phase vapeur) permet en effet de contrôler la localisation, l'homogénéité ainsi que la taille des particules catalytiques.

Dans le cas de phénomènes catalytiques complexes liés à l'utilisation de plusieurs gaz ou à l'intégration de réactions séquencées, la MOCVD est une technique de dépôt particulièrement bien adaptée dans la mesure ou des dépôts multi-matériaux permettent d'adresser différentes fonctionnalités. 

Dans ce cadre le laboratoire propose un stage dont le sujet consiste à comprendre les effets de synergie entre les matériaux catalytiques déposés et les matériaux poreux supports vis-à-vis de réactions catalytiques concrètes. 

Etude d'encres pour la fabrication de pile à combustible par cryo-microscopie

Le CEA LITEN est acteur français majeur de la recherche et du développement dans le domaine des nouvelles énergies. Un des axes de recherche est l'étude de nouvelles techniques de production d'énergie décarbonné. Les piles à combustible (PEMFC) sont aujourd'hui une solution envisagée.

La fabrication des électrodes des piles à combustible est actuellement réalisée par dépôt d'encre constituée de noir de carbone supportant le catalyseur (nanoparticules de platine) et d'un ionomère (le Nafion). Le rôle du ionomère est particulièrement important car il joue le rôle d'électrolyte qui transporte les protons jusqu'au catalyseur. Ainsi pour optimiser les performances des électrodes, il est essentiel que ce ionomère recouvre de façon régulière les grains de carbone. Aujourd'hui, les nouvelles techniques de microscopie électronique permettent d'obtenir des informations sur la distribution du ionomère dans les électrodes après séchage de l'encre. Cependant, l'optimisation du procédé de fabrication des électrodes requiert une meilleure compréhension des encres dans leur état liquide.

L'objectif de ce stage est d'étudier les encres par une technique prisée des biologistes : la cryo-microscopie. La technique de cryo-microscopie est développée au sein de la plateforme de nanocaractérisation localisée à Minatec au CEA de Grenoble (PFNC) qui comprend divers moyens de préparations et d'observations de matériaux sensibles dans leur milieu d'origine.


Mise en oeuvre de techniques mathématiques pour la réduction de schemas de cinétiques chimiques complexes

Au sein du CEA à Grenoble, les Laboratoire de Thermo-Conversion des Bioressources (LTCB) et Laboratoire de Préparation des Bioressources (LPB) travaillent sur l'étude de la conversion thermochimique de biomasse et des déchets depuis une quinzaine d'années. La production de biocarburants par voie thermochimique figure parmi les filières étudiées. Afin de pouvoir répondre aux enjeux nationaux et internationaux de R&D de la filière biocarburant de seconde génération (liquide ou gazeux), le CEA a développé la plateforme de recherche technologique GENEPI qui comprend des pilotes de broyage, un four de torréfaction et un réacteur de gazéification à flux entraîné. Ce réacteur constitue un dispositif analytique de taille suffisamment réduite (50 kg/h) mais représentative pour étudier la gazéification de la biomasse. La modélisation et la simulation numérique sont des outils essentiels utilisés au LTCB pour le dimensionnement et la mise au point de ce type de réacteurs.

La modélisation d'un réacteur à flux entrainé nécessite la prise en compte d'un nombre important de phénomènes physico-chimiques :

-  La chaleur nécessaire au processus de transformation de la biomasse est fournie par un brûleur fonctionnant en oxycombustion. Turbulence, rayonnement et cinétique de combustion doivent être modélisés pour obtenir une bonne représentation de la flamme du brûleur et du champ de température au sein du réacteur.

-  Le flux de biomasse injecté dans le réacteur est représenté avec un suivi des particules de biomasse. Ces particules interagissent avec la phase gazeuse.

-  Le mélange gazeux généré dans le réacteur est le lieu de phénomènes physico-chimiques complexes qu'il faut restituer.

Au sein du LTCB, nous utilisons principalement le logiciel FLUENT pour simuler le fonctionnement du réacteur en prenant en compte les phénomènes décrits précédemment.