Institut Pascal - Ingénierie des Systèmes Photoréactifs
Nos travaux de recherche concernent essentiellement les procédés utilisant la lumière visible solaire (ou artificielle) pour produire des molécules d’intérêt biomasse, molécules à haute valeur ajoutée, carburants comme $H_2$, gaz de synthèse, méthane, méthanol, éthanol) ou régénérer l’atmosphère de systèmes clos (consommation de CO2 et production de O2).
La compréhension fine des procédés que sont les photobioréacteurs, photoréacteurs et cellules photo-électrochimiques est privilégiée, en vue de simuler, concevoir et optimiser des unités à terme industrielles possédant une efficacité énergétique et des performances cinétiques élevées, compatible avec les besoins futurs en énergie renouvelable solaire ou en molécules plateforme.
Pour cela, nous développons (et validons à l’échelle laboratoire ou pilote) des modèles de connaissance prédictifs multi-échelles et réifiés basés sur :
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la prédiction ou la détermination des propriétés optiques des catalyseurs ou microalgues (DFT, Kramers-Krönig) ;
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le calcul des propriétés radiatives qui en découlent (équations de Maxwell) ;
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la résolution du transport de photons ou de charges (équations de Boltzmann) ;
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la formulation locale du couplage thermocinétique (approches mécanistiques ou basées sur la thermodynamique linéaire des processus irréversibles) ;
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l’intégration à l’échelle du procédé (module et centrale) et le calcul des efficacités cinétiques et thermodynamiques ;
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la prise en compte des fluctuations solaires dynamiques.
Modèles de connaissance
Une réflexion sur la formulation en intégrales de chemins de ces modèles et leur résolution par la méthode de Monte Carlo est menée dans le cadre du projet EDStar. Cette approche permet une gestion aisée de l'imbrication des échelles et de la complexité géométrique.
Validée expérimentalement à petite échelle au moyen de dispositifs fortement instrumentés, cette méthodologie est appliquée avec enrichissement mutuel à l’ingénierie de la photosynthèse naturelle et artificielle. Les pilotes originaux développés à ce jour (échelle de 1 L à 30 L ; jusqu’à 1 $m^2$ de surface de captation) et conçus à partir des modèles couplés à des méthodes d’optimisation (théorie constructale, minimisation de la production d’entropie, analyse de sensibilités,...) laissent entrevoir à terme des efficacités thermodynamiques entre 10 et 20% pour la production solaire de vecteurs énergétiques. Ils sont testés à TRL 5 en conditions solaires réelles sur la plateforme PAVIN Solaire (héliostat de 3kW).
Les dispositifs expérimentaux
Principaux contrats académiques
L’équipe participe à de nombreux contrats européens de l’ESA dans le cadre du MOU MELiSSA comme New Generation of Photobioreactors Characterization (2016-18). Elle est également impliquée dans de nombreux projets nationaux (CNES, CNRS, ANR,…) comme Biosolis (2008-11), Tech’Biophyp (2011-15) et représente une partie importante de la capacité recherche du Défi 3 du LabEx IMobS3 sur la production de vecteurs énergétiques pour la mobilité.
Logiciels et matériels originaux
Logiciel de calcul de propriétés radiatives de particules ténues de forme quelconque StarSchiff (développé avec la société MésoStar), Banc optique avec sphère d’intégration de 6 pouces, photoréacteurs et photobioréacteurs d’étude instrumentés, Pilote DiCoFluV Solaire, cellules photo-électrochimiques,...
Principaux laboratoires partenaires et réseaux
Laboratoires :
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LAPLACE (équipe Grephe, Toulouse)
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RAPSODEE (Albi)
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Institut Fresnel (équipe HIPE, Marseille)
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PROMES (Odeillo et Perpignan)
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GEPEA (Saint-Nazaire)
Réseaux :
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MOU MELiSSA
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Fédération de recherche FédEsol
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GdR (Solar Fuels, Tamarys)
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SFT, SFGP, Codegepra,...
Thèses récentes ou en cours
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Vincent ROCHATTE : Développement et modélisation d’un photobioréacteur solaire à dilution interne du rayonnement (thèse soutenue en 2016).
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Ghiles DAHI : Etude expérimentale et modélisation par approche radiative d’un photoréacteur pour la production d’hydrogène (thèse soutenue en 2016).
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Julien CHARON : Résolution par la méthode de Monte Carlo de formulations intégrales du problème de diffusion électromagnétique par une suspension de particules à géométries complexes (thèse soutenue en décembre 2017).
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Azin ESKANDARI : A preliminary theoretical and experimental study of a photo-electrochemical cell for solar hydrogen production (these soutenue en novembre 2019).
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Caroline SUPPLIS : Modélisation et étude expérimentale de la production d’hydrogène solaire en photoréacteur (thèse soutenue en décembre 2020)
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Victor GATTEPAILLE : Modèles multi-échelles de photobioréacteurs solaires et méthode de Monte Carlo (thèse soutenue en janvier 2021).
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Guillaume FOIN : Etude expérimentale et théorique de la production photo-catalytique d’hydrogène en photoréacteur d’étude (2020, thèse en cours).
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Aziz BOUZIGUI : Etude expérimentale et modélisation de la production d’hydrogène par cellule photo-électrochimique (2020, thèse en cours).
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Daniel YAACOUB : Analyse et modélisation des modes de génération, transport et conversion de l’énergie d’excitation électronique pour l’ingénierie de systèmes photo-réactifs naturels ou artificiels (2021, thèse en cours).
