Fluides pour l’Extraction et la production d’Energie

Responsable : Yohann Coulier, Maître de Conférence UCA

 

Sujets de recherche

La thématique s’intéresse à la caractérisation thermodynamique de systèmes fluides pour répondre à des problématiques rencontrées dans des procédés industriels. Les études menées au laboratoire combinent l’acquisition de données expérimentales et la modélisation thermodynamique des équilibres de phase et des propriétés énergétiques.

Pour cela, la thématique FEE développe des techniques expérimentales originales pour la détermination i) des propriétés énergétiques (enthalpies, capacités calorifiques) et volumiques, ii) de diagrammes d’équilibre de phase (LLE, SLE, VLE) et iii) de spéciations à l’équilibre.

Les données expérimentales permettent de caractériser les propriétés des systèmes sur de larges gammes de températures, pressions et compositions. Elles sont utilisées pour ajuster ou valider des modèles de corrélation ou de simulation moléculaire. Les modèles thermodynamiques classiques permettent la corrélation et l’interprétation des résultats. Cependant, le développement de modèles plus prédictifs reste un défi important pour l'étude de systèmes complexes et la compréhension des interactions.

Les activités de recherche de la thématique FEE sont orientées autour de quatre axes :

 

Captage et stockage du CO2

Un des verrous technologiques pour le développement à grande échelle des procédés de captage du CO2 est le coût énergétique de la régénération des solutions absorbantes. Les études menées au sein de l’équipe combinent la détermination expérimentale des propriétés d'absorption, la modélisation thermodynamique et la simulation moléculaire. Les projets actuels concernent l’étude de nouveaux fluides en rupture, plus particulièrement les solvants eutectiques profonds commutables, c’est-à-dire présentant un changement d’hydrophobicité sous stimulus externe, pour la séparation sélective du CO2 (thèse Olympe LONGERAS, et Julian CASTANEDA).

Une fois le CO2 séparé des effluents industriels, il doit être soit valorisé soit stocké dans des zones de stockage sures. Une des voies envisagées est le stockage géologique dans des aquifères salins. La connaissance géologique, géochimique et thermodynamique de tels milieux est fondamentale pour éviter des problèmes environnementaux graves (déversement brutal d’une grande quantité de gaz par exemple). Dans ce contexte, l’étude des variations des propriétés physico-chimiques (pH, ...) et thermodynamiques (enthalpies de dissolution du gaz, limite de solubilité...) du milieu en présence du gaz dissous est fondamentale. Les études expérimentales menées au laboratoire dans des conditions proches des sites de stockage (hautes températures et hautes pressions) seront des données fondamentales pour le développement ou l’ajustement de modèles thermodynamiques rigoureux décrivant ces milieux, afin de pouvoir prédire le comportement des sites en présence de gaz dissous.

Procédés géothermiques pour la production d’énergie

La problématique décrite pour le stockage du CO2 est commune aux projets concernant le développement et l’exploitation des installations géothermiques. Le manque de données expérimentales ne permet pas le développement de modèle thermodynamique suffisamment adaptés aux procédés envisagés et les opérateurs doivent généralement effectuer des tests coûteux spécifiques à chaque site. Le projet européen GEOPRO (2019-2022), financé par le programme de recherche et d'innovation H2020, a pour objectif, dans premier temps, de fournir les données thermodynamiques et cinétiques clés pour les centrales géothermiques impliquées dans le projet. Le projet porte sur la récupération de l’énergie contenue dans les fluides géothermiques sous-terrain par injection de CO2. L’objectif est de disposer d’un modèle thermodynamique représentatif des sites d’exploitation. Ainsi des outils de simulations de procédés pourront être mis au point pour optimiser à la fois, la gestion durable de réservoirs géothermiques, la production d’électricité et les stratégies de réinjection. 

Nouveaux fluides de travail pour des machines thermiques

Le système de réfrigération le plus couramment employé est le cycle à compression de vapeur qui fonctionne avec un compresseur mécanique électrique et des hydrofluorocarbures (HFCs). Cette technologie contribue directement et indirectement au réchauffement climatique puisque les HFCs ont un potentiel de réchauffement climatique élevé. La contribution indirecte est due à la consommation d’électricité issue d’énergie fossile, pour la compression du fluide frigorigène.

Au laboratoire des recherches sont menées pour proposer de nouveaux fluides de travail capable soit de remplacer les HFCs dans les cycles à compression de vapeur soit être utilisés dans des procédés alternatifs à la compression mécanique. Afin de limiter l’impact environnemental de ces procédés, les fluides de travail proposé sont d’origine naturelle. Dans le cadre de l’ANR AWARE, des solvant biosourcés sont étudiés pour utilisés avec le CO2 dans un cycle à absorption de vapeur.

Développement de nouveaux solvants pour l’extraction de polluants

Suite aux développements sur les solvants eutectiques profonds (Deep Eutectic Solvents, DES) réalisés sur la problématique du captage du dioxyde de carbone, d'autres sujets de solubilité et d'extraction ont été initiés. L'extraction des polluants (métaux, colorants ...) depuis une phase aqueuse ont été étudié avec des DES hydrophobes ainsi qu'avec des solvants à l'hydrophobicité commutable (switchable hydrophobic solvent). Nous travaillons également sur la question de l'utilisation de ces solvants dans le domaine de la catalyse.

Personnels

Personnels permanents

• M. Jean-Michel ANDANSON
• Karine BALLERAT BUSSEROLLES
• M. Yohann COULIER
• Laurence RODIER
• Adriaan VAN DEN BRUINHORST

Doctorants

Nom	Position	Support	Dates
Alaa Hajlaoui	Doctorante	Thèse ANR AWARE	Février 2022-Janv. 2025
Julian Castaneda	Doctorant	Thèse UCA	octobre 2021 - sept.2024
Jean-Sébastien Barbier	Doctorant	Thèse ANR	2021-2024
Loélia Fohet	Doctorante	Thèse CIFRE, Michelin	2019 - 2022
Fernando Hevia de los Mozos	Doctorant (espagne)	Stages courts, Thèse européenne	sept-déc. 2017 et sept-déc. 2018

Etudiants/Stagiaires/Post-Doctorants/CDD

Nom	Position	Support	Dates
Vitalios NTOMPROUGKIDIS	Post-Doc	ISITE-Ressourcement	2021-2022
Marc Cassièdes	Post-Doc	H2020 GEOPR0	01/04/2021 - 28/02/2022

Anciens Stagiaires/Post-Doctorants/CDD]

Nom	Position	Support	Dates	Position Actuelle
Yohann Coulier	Chercheur	ANR SiModEx	Mai 2018 - Aout 2018
Juzaimi, Nurhazwani	Master of Science in Advanced Chemical Engineering	AAP Emergence, i-Site CAP2025, Coll. Imperial College, Londres	Juillet 2018
Yiyan ZHENG	Elève Ingénieur, cycle Ingénieur Civil	Stage de fin d’étude, coll. ICCF-CTP-Calnesis	Juillet 2018
Giovanni Ramdani	Master II	AAP Emergence, i-Site CAP2025	janvier - Juillet 2018
Ryan Wilkins	Master’s Student of Guelph, stage	ANR SiModEx	1 Mai 2018 - 27 Juillet 2018
Johan Vigier	Master I	ANR SiModEx	Avril - Juillet 2018
Alejandro Moreau	CDD Chercheur	Ademe Inv. Avenir VALORCO	février 2015 - février 2016	Imperial College, London
Javier Mesones Mora	CDD Chercheur	Ademe Inv. Avenir VALORCO	septembre 2014 - Aout 2015	URSA (resp. Qualité)
Clément Rico	Master I	ANR SiModEx, CALNESIS	Avril - Juillet 2016
William Ravisy	Master I	ANR SiModEx	Avril - Juillet 2017
Thomas Raynaud	Master I	fluides frigorifiques	Avril - Juillet 2017
Lena Marty	DUT Mesures Physiques	Coll. R. Spontak	Avril - Juin 2017

Docteurs

Nom	Date de soutenance	Financement	Position actuelle
Olympe Longeras	4 décembre 2020	Thèse UCA	Post-Doctorante, CRPP Bordeaux
Fernando Hevia de los Mozos	2019		PROFESOR AYUDANTE DOCTOR , Univ. Valladolid, Espagne
Alexander Lowe	12 décembre 2016	ANR DACOOTA	Post-Doctorant, Pologne
Barbara Liborio	février 2017	ANR SIGARRR	Process Expert, CAS Technology Center
Mickael Simond	27 novembre 2013	MESR	Président, CALNESIS
Yohann Coulier	16 décembre 2011	FUI ACACIA	Post-Doct à Université de Guelph, Guelph, ON, Canada, puis CDD Chercheur ICCF
Dimitrios Almantariotis	27 mai 2011	ADEME
Hugues Arcis	15 décembre 2008	MENSR	Chercheur Associé à Université de Guelph, Guelph, ON, Canada

Compétences

Nos activités de recherche combinent des méthodes expérimentales originales et des outils de modélisation thermodynamique.

Grandeurs Thermodynamiques et physico-chimiques étudiées

• Masses volumiques, Volumes molaires, d’excès, standards...
• Enthalpies de dissolution d’un gaz dans une solution
• Enthalpies de mélange liquide-liquide
• Enthalpies de protonation
• Capacités calorifiques massiques, molaires, d’excès, standards...
• Température de séparation de phase liquide-liquide ou liquide-vapeur
• Diagrammes de phase LL - SL - LV
• Spéciation en solution

Méthodes expérimentales disponibles

Volumétrie : Densimètres à tubes vidrants permettant des mesures de -20°C à 400°C et de la pression atmosphérique à 400 bars. Calorimétrie :

• Calorimètres à balayage de température (DSC) pour la mesure des équilibres de phases (LL - SL - LV)
• Micro-calorimètres à détection fluxmétrique pour des mesures d’enthalpies de mélange liquide-liquide ou liquide gaz.
• MicroDSC pour la mesure des transitions de faible énergie et pour la détermination des capacités calorifiques de phases fluides.
• Calorimètre Type Picker à compensation pour la mesure des capacités calorifiques jusqu’à 400°C et 400 bars.

Equilibre de phase : Cellule d’équilibre de phases pour la visualisation des séparations de phases LL ou LV, de l’ambiante à 125°C et jusqu’à 400 bars. Spéciation : spectroscopie IR couplée microscopie;  Imagerie FT-IR

Modélisation Thermodynamique

• Modèles de coefficient d’activité semi-prédictifs (NRTL / UNIQUAC) et prédictif (UNIFAC)
• Equations d’état cubiques (Peng-Robinson et Soave-Redlich-Kwong)
• Simulation moléculaire (champs de force, prévision des propriétés dérivées de la fonction de gibbs)

Programmes et Projets

 

Programmes en cours de réalisation

• 2021 – 2022 : Pulsion 

Support : ISITE-ressourcement
Porteur du projet : ICCF (MI) A. bousquet
Collaborateurs : J-M. Andanson
Objectif : Synthèse de nanoparticule de Bismuth dans LI par procédé plasma

• 2020 - 2024 : AWARE : "Fluides de Travail Naturels pour la Réfrigération par Absorption"Support : ANR Jeune Chercheur Jeune Chercheuse

Porteur du programme : ICCF (TIM/FE2), Y Coulier
Mots clefs : Machines thermiques, CO2, absorbtion de gaz

• 2020 – 2023 : Construction d'un réseau Scientifique Européen

Support : Pack Ambition International, Région AuRA
Porteur du programme : ICCF (TIM/FE2), Y. Coulier
Objectif : Mise en place d’un réseau scientifique européen pour améliorer l’efficacité énergétique et l’impact environnemental des procédés de réfrigération. Collaboration avec l’Université Rovira i Virgili et le groupe de recherche en génie thermique appliqué (CREVER).

• 2020 – 2024 : Sedi-PLAST : " Microplastiques (MP) dans les sédiments continentaux et les archives sédimentaires"

Support : ANR - PRC
Porteur du projet : LEESU (Univ. G. Eiffel), J. Gasperi
Collaborateurs ICCF : V. Verney, F. Delor-Jestin, J-M. Andanson
Mots Clefs : Microplastique, sédiments, spectroscopie IR
Site web : https://anr-sedi-plast.univ-gustave-eiffel.fr/
 

• 2019 – ... : CATS : " Caractérisation microplastique par microscopie optique"

Support : PEPs ICCF
Porteur du projet : ICCF (TIM/FE2) J-M Andanson
Collaborateurs : V. Verney, J. Devemy
Objectif : Caractérisation des microplastiques par microscopie optique
 

• 2019 – ... : CatHy : " Catalyse hybride dans DES"

Support : Emergence CAP2025
Porteur du projet : ICCF (TIM/FE2) J-M Andanson
Collaborateurs : V. Verney, J. Devemy
Objectif : 
 

• 2020 – ... : MagmaCell : " Impact de la convection sur les éruptions volcaniques"

Support : ISITE
Porteur du projet : LMV, O. Roche
Collaborateurs : J-M. Andanson
Objectif :
 

• 2022 - ... : SIMATLAB 2

Support : Laboratoire Commun de Recherche 
Porteur du projet : ICCF (TIM) P. Malfreyt
Collaborateurs : V. Sautou, J-M. Andanson, Y. Coulier
Objectif :
Site Web : https://simatlab.com/
 

• 2019 - 2023 : Terminus : "in-built Triggered Enzymes to Recycle Multi-layers: an INnovation for USes in plastic packaging"

Support : programme européen H2020
Porteur du programme : ICCF (Photochimie/CVP), V. Verney
Mots clefs : Recyclage des polymères, DES, enzyme
Site web : https://www.terminus-h2020.eu/iccf

• 2019 – 2022 : GEOPRO : " Accurate Geofluid Properties as key to Geothermal Process Optimisation"

Support : programme européen H2020
Porteur du projet : TWI (Cambridge, UK) N. Kale
Animateur du Work-Package 3 : ICCF (TIM/FE2), K. Ballerat
Objectif : GEOPRO aims to generate advances in understanding and modelling of geofluid properties that has wide applicability across a majority of geothermal installations to ensure consistent behaviour across significantly different applications.
Site web : https://www.geoproproject.eu/
 

• 2019 - 2022 : Thèse Michelin "Microplastiques et pneumatiques"

Support : thèse CIFRE 
Porteurs du projet : ICCF (Photochimie/CP) F. Delor-Jestin - MICHELIN
collaborateurs : J-M. Andanson
Mots Clefs : microplastiques, Pneu
 

• 2021 - 2024 : Thèse UCA "Solvants commutables biosourcés pour la remédiation du CO₂"

Support : thèse UCA
Porteurs du projet : ICCF (TIM/FE2) K. Ballerat-Busserolles - J-M. Andanson
Mots Clefs : Captage CO2, DES, solutions aqueuses démixantes

 

Programmes terminés

 

• 2018 - 2019 : Projet Emergence de l’I-Site Clermont, CAP 2025
   Nouveaux fluides technologiques naturels, application aux machines frigorifiques de demain

• 2016 - 2019 : ANR blanc International France-Canada : projet SiModEx
  Comprendre les procédés de captage du CO2 : une combinaison de la simulation moléculaire réactive, des modèles thermodynamiques et des données expérimentales ; pour plus de détails, merci de voir la page SIMODEX dédiée à ce projet.

• 2015 - 2016 : programme commun de recherche avec CTP Fontainebleau

Influence d’un solvant physique sur les propriétés des amines démixantes.

• 2013 - 2016 : ANR blanc International France-Canada : projet DACOOTA

"Demixing Amines for CO2 capture : Thermodynamic and Spectroscopic Approach"

• 2014 - 2017 : ANR SEED : projet SIGARRR

Simulations de l’Impact des Gaz Annexes (SOx, NyOx, O2) co-injectés avec le CO2 lors de son stockage géologique) sur la Réactivité des Roches-Réservoirs
Vidéo de Mines-Paritech

• 2014 - 2016 : Projet ADEME : LIS - VALORCO

Programme de recherche sur la réduction des émissions de CO2 appelé LIS pour « Low Impact Steelmaking », fabrication d’acier à faible impact, portant sur deux principaux volets de recherche : la réduction des émissions de CO2 grâce au recyclage des gaz de hauts-fourneaux (« TGRBF ») et la valorisation du CO2 (« Valorco »)

• 2014 : collaboration de Recherche avec la société Émergente CALNESIS.

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