Soutenance de thèse de CARDENAS CABEZAS JIAN

Résumé de la thèse

L'amélioration de l'efficacité énergétique des systèmes industriels constitue un enjeu majeur de la transition énergétique. Une part importante de l'énergie primaire est dissipée sous forme de chaleur fatale, notamment à basse et moyenne température, où les solutions de valorisation restent limitées. Dans ce contexte, les cycles au dioxyde de carbone supercritique (sCO2) suscitent un intérêt croissant grâce à leur compacité, à leur potentiel de rendement élevé et aux propriétés du fluide près du point critique. Leur déploiement reste toutefois freiné par des verrous technologiques et par la difficulté de modéliser le fluide réel. Cette thèse étudie un concept innovant de compression thermiquement entraînée, appelé SHREC, développé avec le partenaire industriel CIXTEN. Contrairement aux cycles de Brayton classiques, fondés sur un compresseur mécanique alimenté électriquement, le dispositif SHREC convertit directement l'énergie thermique, idéalement issue de chaleur fatale, en travail de compression. En réduisant le recours à la compression mécanique, il vise à diminuer la consommation électrique auxiliaire et à améliorer le rendement global des cycles au sCO2. La principale difficulté scientifique réside dans la modélisation du CO2 supercritique. À proximité du point critique, de faibles variations de température ou de densité induisent de fortes non-linéarités sur la densité, la capacité calorifique, la compressibilité et les propriétés de transport. Les hypothèses de gaz parfait ou de propriétés constantes deviennent alors inadaptées. Le dispositif SHREC fonctionne en outre à faible nombre de Mach et dans des géométries complexes, ce qui impose des exigences élevées de stabilité, de conservation de masse et de cohérence thermodynamique. Pour répondre à ces enjeux, une approche de modélisation multi-échelle a été développée. À l'échelle système, un modèle thermodynamique zéro-dimensionnel (0D), fondé sur une équation d'état cubique, a été élaboré pour décrire le comportement du fluide supercritique. Il permet de prédire rapidement les performances globales et de réaliser des analyses de cycle. Des essais expérimentaux sur un prototype à échelle réduite ont permis de mesurer l'évolution de la pression, des températures, de la puissance produite, du coefficient de performance et des destructions d'exergie. Les résultats montrent que les principales irréversibilités se situent dans l'unité expanseur-compresseur et dans les échangeurs de chaleur principaux. À l'échelle locale, un cadre numérique tridimensionnel fondé sur la méthode de Boltzmann sur réseau a été développé et adapté aux fluides réels. Une formulation compressible à faible nombre de Mach a été implémentée et couplée à une équation d'état cubique pour reproduire les effets thermodynamiques supercritiques. Les géométries complexes ont été traitées par la méthode des frontières immergées. L'approche a d'abord été validée sur des jets supercritiques de la littérature, puis appliquée au dispositif SHREC pour résoudre les champs transitoires de température et de pression. La comparaison entre les simulations CFD et le modèle 0D montre que l'hypothèse d'équilibre instantané de pression entre les chambres n'est pas strictement vérifiée. Le modèle 0D ne reproduit pas les déséquilibres locaux, mais il restitue correctement la dynamique globale de compression et de détente, tandis que les simulations CFD fournissent une description détaillée des mécanismes internes d'écoulement et de transfert thermique. Ce travail montre que l'étude fiable des systèmes au sCO2 requiert une combinaison cohérente entre thermodynamique des fluides réels, modélisation réduite, simulations numériques et validation expérimentale. Il contribue au développement de technologies de compression thermiquement entraînée pour la valorisation de chaleur fatale et pose les bases de systèmes compacts pour les cycles énergétiques de nouvelle génération.