L'énergie d'un département de recherche
Dans les laboratoires de Belfort où les thermiciens, électriciens et mécaniciens de l'institut FEMTO-ST mènent des expériences qui sont toutes centrées sur l'énergie. Aperçu en images de quelques unes de leurs expériences.
Steve Djetel-Gothe, ingénieur de recherche, présente un prototype de moteur Stirling. Ces moteurs à air chaud, dont l'invention date du XIXe siècle, reviennent au goût du jour. En effet, les procédés d'usinage actuels et les nouveaux matériaux permettent de lever certains verrous technologiques qui entravaient leur développement. Ces moteurs intéressent les chercheurs belfortains en raison de leurs nombreux avantages : on peut les alimenter avec différentes sources d'énergie, comme le bois, le charbon, le gaz, l'énergie solaire… S'ils sont bien conçus, ils ne nécessitent aucune maintenance. Ils sont adaptés à des applications de production d'électricité dans des milieux isolés, par exemple pour alimenter une antenne relais en pleine campagne. Ils sont même réversibles : on peut les utiliser pour produire du froid.
Parmi les pièces cruciales du moteur Stirling figure le régénérateur. C'est une pièce poreuse dont la fonction est d'améliorer le rendement du moteur en captant la chaleur du fluide pour la réinjecter. Sur cette image, le régénérateur est placé dans un banc de caractérisation : c'est un dispositif expérimental qui permet d'étudier précisément ses propriétés. Celles-ci diffèrent selon sa géométrie et les matériaux qui le composent (cuivre, inox, aluminium…).
Il existe des régénérateurs de toute petite taille destinés à être intégrés à des moteurs Stirling miniatures. Ces derniers pourraient être inclus dans de petits objets, une machine frigorifique de 1 cm3 ou un cœur artificiel par exemple.
Emna Dellali étudie les caractéristiques thermofluidiques de ce microrégénérateur dans un banc de caractérisation de microstructures. Son objectif : trouver le bon compromis entre la puissance du moteur et le rendement thermique. Pour lui permettre de mener ces travaux, le laboratoire s'est doté d'un système d’acquisition de données en temps réel très perfectionné.
Cet autre dispositif expérimental a également pour objectif la caractérisation. Il s'agit d'un banc microfluxmètre thermique qui permet de mesurer la densité, la température et la vitesse d’écoulement d'un flux de gaz ou de liquide.
Il fonctionne grâce à un tout petit capteur qui a été mis au point par un doctorant, Aymen Zribi, et dont le prototype a été fabriqué en salle blanche dans la centrale de technologie MIMENTO de l'institut FEMTO-ST. Ces capteurs de flux sont difficiles à trouver sur le marché, or les données qu'ils permettent d'obtenir sont capitales.
Une autre équipe de chercheurs du département énergie a développé une méthode de diagnostic optique originale pour étudier les écoulements autour d'une bulle de gaz sans y introduire de perturbations : la vélocimétrie en trois dimensions. En intégrant de petites particules dans le flux et en les éclairant à l'aide d'un laser, on obtient des images en 3D. Un traitement informatisé de ces images permet ensuite de calculer la vitesse de l'écoulement. Cette photo illustre l'étape de préparation de l'expérience. Le cube de résine dans lequel on voit les particules sert à étalonner les appareils.
Au département énergie, on s'intéresse aussi à d'autres types de moteurs à air chaud que l'on essaie de remettre au goût du jour. L'objectif de ces chercheurs est de concevoir une machine de type Ericsson qui bénéficie des avancées technologiques actuelles en matière de motorisation. L’idée est d'utiliser la chaleur perdue des fumées des usines pour la transformer à la fois en électricité et en chauffage. On parle alors de cogénération pour désigner la production de deux types d'énergie par un même système.
Le département énergie de l'institut FEMTO-ST, à travers sa participation à la fédération de recherche FC-Lab, mène également des travaux sur la pile à combustible.
L'objectif n'est pas de concevoir de nouvelles piles mais d'analyser et d'améliorer le fonctionnement de ces systèmes de production d'énergie dans leur environnement (moteur, véhicule…). Les études sont effectuées sur des bancs d'essai comme celui qui figure sur cette image.
On parle de « système pile à combustible » pour désigner la pile et l'ensemble des éléments nécessaires à son fonctionnement : source d'oxygène, système de régulation thermique et d'humidification, convertisseurs, contrôleurs... Les chercheurs étudient précisément l'impact du paramétrage et des caractéristiques de chacun de ces éléments sur l'efficacité du système. Au centre de ce banc d'essai, une pile à combustible de type PEMFC (Proton exchange membran fuel cell) de puissance inférieure à 10 000 Watts.
Il existe des piles de même type mais de moindre puissance (moins de 100 W). On peut imaginer embarquer ce type de source d'énergie dans des vélos électriques.
Cette plate-forme expérimentale située sur le Techn'hom de Belfort permet de tester le fonctionnement des « systèmes pile à combustible » dans des conditions extrêmes : variations de température, vibrations...
Les travaux réalisés sur les piles à combustible débouchent sur des applications concrètes comme ce groupe électrogène hybride dans lequel se trouve une pile à hydrogène.
Contact
François Lanzetta
Directeur du département énergie
