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RESEAU CONCEPT : Outil pour la conception et le fonctionnement dynamique de réseaux de chaleur et/ou de froid.

RESEAU CONCEPT : Outil pour la conception et le fonctionnement dynamique de réseaux de chaleur et/ou de froid.

Contexte du projet

L’objectif de ces travaux est de développer une méthodologie pour l’optimisation dynamique d’un système intégré incluant la production (cycle de conversion), le stockage et la distribution (réseau à l’échelle de la ville ou du quartier) de chaleur. Un tel système est soumis à de nombreuses perturbations à différentes échelles de temps (demande des consommateurs, conditions climatiques, disponibilité et coût des énergies primaires…). L’objectif est donc de définir une politique optimale de gestion des systèmes de production et de distribution de chaleur ou de froid, politique qui peut inclure une stratégie de stockage. Cette thèse vise donc, dans un premier temps, à développer un modèle dynamique du système global. Puis le problème d’optimisation dynamique sera formulé puis résolu. Dans un second temps, la transformation de ce problème avec l’ajout de variables binaires permettra de réaliser une optimisation de la conception du réseau.

#Centrale solaire thermique
#Optimisation dynamique Online
#Efficacité énergétique 

Savoir-faire du laboratoire

Au sein du LaTEP (Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés), l’équipe constituée par les Enseignants-Chercheurs F. Marias, J-M. Reneaume, S. Sochard et S. Serra, 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 : conversion (énergies primaires multiples : fossile, biomasse, solaire…), stockage (sensible, chimique…) et distribution (réseaux utilisant différents vecteurs : eau, gaz, CO2, électricité…).

Ce projet a commencé par le développement de méthodologies pour la conception optimale, en régime permanent, des réseaux de chaleur :

  • Optimisation de la topologie et du design des réseaux de distribution de chaleur (thèse de Théophile Mertz, 2016, CIFRE NOBATEK INEF4)
  • Optimisation simultanée d’un système de conversion de l’énergie géothermique en électricité (ORC) et d’un réseau de distribution de chaleur (thèse de Fabien Marty, 2017, AMI ADEME FONGEOSEC)

L’intégration de l’énergie solaire, intermittente, a alors nécessité la prise en compte de la dynamique du système. Dans un premier temps, la dynamique est prise en compte, dès l’étape de conception (design), au niveau planification (modélisation et optimisation dynamique « hors ligne ») :

  • Modélisation et simulation dynamique d’une machine à absorption pour la génération de froid solaire (thèse de Lorenzo Castillo Garcia, 2016, AMI ADEME SCRIB)
  • Modélisation et optimisation dynamique d’un réacteur de méthanation (thèse d’Axel Fache, 2019, projet REACHY, CRNA ENOSIS)
  • Optimisation du fonctionnement dynamique des réseaux de distribution de froid (thèse de Arley Nova Rincon, 2019, MESRI)
  • Développement d’outils de simulation et optimisation dynamique d’une centrale solaire thermique alimentant un site industriel (thèse de Simon Scolan, CIFRE NewHeat)
  • Outils pour l’intégration optimale du solaire aux réseaux de chaleur urbain (thèse de Régis Delubac, APRED ADEME ISORC, co-finacement CRNA OPTIMISER).

Missions

Le développement de réseaux de chaleur et/ou de froid (RCF) en France est en essor. La plupart des métropoles développent et font évoluer leur schéma directeur en approvisionnement énergétique. Les réseaux de chaleur en sont une composante clé, en effet, ils peuvent être présentés comme la colonne vertébrale de la transition énergétique. Dans le contexte des collectivités de taille plus modeste (e.g. communautés de communes) ou parmi les aménageurs (publics ou privés), les réseaux de chaleur font partie des solutions systématiquement analysées.

Aujourd’hui, ces collectivités et aménageurs disposent d’outils ou de prestations d’accompagnement pour évaluer les solutions les plus intéressantes très en amont, et pour appuyer leurs décisions.

Les bureaux d’étude interviennent généralement lors de l’étape d’après, avec des outils plus détaillés, qui demandent fiabilité et flexibilité lors de la phase de conception. Ces prestations d’aide à la conception font intervenir des outils de calcul très variés : de la simple feuille de calcul numérique à l’outil de simulation très détaillé.

Ce projet partenarial entre le LaTEP et NOBATEK-INEF4 vise à mettre à disposition des outils de calcul numériques mieux adaptés aux prestations d’aide à la conception des RCU. Ces outils seront pensés afin de :

  • Faciliter le paramétrage
  • Recalculer automatiquement les variables d’état (températures en tous points, vitesses) en cas de modification de la structure ou des données d’entrées (consommations, …)
  • Représenter un réseau et ses paramètres selon une visualisation de type SIG
  • Optimiser certains paramètres de conception en fonction de modifications sur le réseau (par exemple optimiser les diamètres de toutes les sections si on ajoute une sous-station et un besoin à un endroit défini, ou si on modifie la forme du réseau)
  • Optimiser le mix énergétique en prenant en compte un stockage thermique. Ceci implique la considération du comportement dynamique du réseau.

Ces outils doivent être utilisables par les concepteurs de réseaux de chaleur (bureaux d’étude, sociétés de services énergétiques), en améliorant la qualité de leurs études, la confiance en leurs résultats, tout en impliquant des conditions d’utilisation accessibles (temps de paramétrage, temps de simulation, facilité de prise en main).

Le marché visé est constitué de bureaux d’études, de développeurs de réseaux de chaleur, ainsi que NOBATEK/INEF4 pour ses propres projets d’études d’approvisionnement par réseau de chaleur.

Les objectifs de la thèse

Le travail de thèse portera sur le développement d’un outil de référence qui, par rapport à l’outil final attendu pour le projet RESEAU CONCEPT, sera moins adapté aux bureaux d’étude car plus précis et donc avec une complexité et un temps de résolution plus importants.

A partir d’un outil d’optimisation dynamique des réseaux de froid développé au LaTEP, le travail de thèse se déroulera en plusieurs étapes :

  1. Prendre en main la méthode développée dans l’outil précédent. En particulier, la méthode de collocation orthogonale utilisée pour la discrétisation des équations différentielles.
  2. Adapter l’outil pour l’optimisation des réseaux de chaleur.
  3. Inclure un modèle précis de stockage thermique.
  4. Compléter la méthodologie afin de permettre l’optimisation dynamique de la conception du réseau.

L’ensemble de ces travaux devra être valorisé à travers des conférences et des articles scientifiques.

Le doctorant aura une charge d’enseignement de 96 h à effectuer sur la durée de la thèse. Ces enseignements auront lieu au sein de l’ENSGTI, dans les mêmes locaux que le LaTEP.

Les résultats attendus

L’objectif de la thèse est de développer un outil de référence pour l’optimisation dynamique des réseaux de chaleur permettant d’optimiser à la fois la gestion du réseau et sa conception.

Les collaborations de recherche

NOBATEK/INEF4 et le LATEP travaillent ensemble sur la thématique réseau de chaleur depuis 2013. Un premier projet, INEF4, THERMENERGY, et une thèse co-encadrée, ont permis d’obtenir un premier prototype de logiciel d’optimisation de réseau de chaleur, utile pour les phases d’aide à la décision.

Par la suite, le LATEP a dirigé de nombreux travaux en lien avec la thématique d’approvisionnement thermique par réseau, en abordant de nombreux verrous scientifiques et techniques (exemples de mots clés : optimisation dynamique, ORC, réseaux de chaleur à base d’énergie solaire thermique…)

De son côté NOBATEK/INEF4 a développé un projet ADEME appliqué visant à associer techniques de calcul d’optimisation et interfaces SIG, afin de mettre à disposition des collectivités un outil de conception en open-access.

Aujourd’hui, NOBATEK/INEF4 et le LaTEP visent à joindre à nouveau leurs efforts pour mettre au point des outils de conception mieux adaptés au travail de conception détaillée des bureaux d’étude. Le LaTEP apporte son expertise en méthodes d’optimisation et NOBATEK/INEF4 son expertise en développement d’interfaces adaptées au besoin des concepteurs et preneurs de décision.

Le projet RESEAU CONCEPT sera donc mené en collaboration entre NOBATEK/INEF4 et le LaTEP. Le LaTEP dirigera la thèse de doctorat portée par le projet.

Compétences requises

  • De formation Energétique et/ou Génie des Procédés, le candidat aura de solides compétences en thermodynamique, transfert thermique, mécanique des fluides, programmation et modélisation/optimisation (optimisation numérique ; programmation mathématique).
  • Des qualités rédactionnelles seront appréciées.
  • Une bonne maîtrise de l’anglais est indispensable.

Critères d’évaluation de la candidature

Traitement du dossier : Jury de sélection

  • Les candidats seront sélectionnés d’abord sur dossier. Un entretien sera organisé après la première phase de sélection des dossiers de candidature. Le jury prendra notamment en compte les éléments suivants :
  • Adéquation entre le diplôme de Master (ou équivalents) et le sujet de thèse
  • Notes et classements en Master, et régularité dans le cursus universitaire
  • Maîtrise de l’anglais
  • Capacité du candidat à présenter ses travaux
  • Expériences professionnelles de type stage(s) en laboratoire ou autre ; éventuels travaux de recherche déjà réalisés (rapports, publications).

Constitution du dossier de candidature

Envoyer par email un dossier de candidature comprenant :

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

Date limite de dépôt du dossier : 08/07/2020

LABORATOIRE D'ACCEUIL

Laboratoire : Laboratoire de Thermique Énergétique et Procédés, LaTEP

DIRECTEUR DE THESE

Pr. Jean-Michel RENEAUME

LIEU

Pau, France

TYPE DE CONTRAT

Post-doc
36 mois

PERIODE

A partir de Octobre 2020

SALAIRE

Environ 1500 € brut par net

Envoyez votre candidature à Sabine SOCHARD (sabine.sochard@univ-pau.fr), Sylvain SERRA (sylvain.serra@univ-pau.fr), Jean-Michel RENEAUME (jean-michel.reneaume@univ-pau.fr)

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