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Thème 3 : Développement énergétique durable

 Le réchauffement climatique, les gaz à effet de serre, les quotas de CO2, la pollution due aux rejets de Composés Organiques Volatils (COV), le traitement et la fermentation des déchets organiques, la valorisation des déchets, l’épuisement des ressources d’énergie fossiles et l’accroissement de la demande énergétique sont des problèmes universels qui concernent toute la planète.

Les législations internationales sur les émissions des polluants deviennent de plus en plus strictes. Ainsi, par exemple, la France vise à réduire les émissions de CO2 de 75 % par rapport au niveau de 1990 d’ici 2050. Le ministère de l’environnement libanais établit régulièrement des rapports sur l’état de la pollution au Liban, rapports qui révèlent des résultats alarmants. Le Liban, ne possédant pas de sources d’énergie fossiles, dépend énergétiquement à 100 % d’autres pays. Le gouvernement libanais s’est engagé d’ici 2020 à ce que 12 % de ses sources d’électricité proviennent des énergies renouvelables. Des problématiques similaires concernent les autres pays (Maroc et Palestine) partenaires de ce projet.

 Afin de résoudre ces problèmes et de répondre aux demandes croissantes en énergie de la société contemporaine, l’une des solutions proposées consiste à utiliser l’hydrogène comme vecteur d’énergie puisque son utilisation ne produit pas de composés toxiques, constituant ainsi une énergie propre et durable. De plus, il est possible d’obtenir l’hydrogène à partir de sources d’énergies renouvelables telles que les alcools et les COV émis par les sources polluantes ou produits par la fermentation des déchets organiques. Parmi les approches proposées dans le but de produire de l’hydrogène on note, le reformage à sec du méthane par le dioxyde de carbone, processus qui permet de valoriser le biogaz issu de la fermentation des déchets et de diminuer les émissions des gaz à effet de serre, le reformage à la vapeur ou vaporeformage du méthane, ceux des huiles végétales, des hydrocarbures et des alcools tels que le glycérol (un sous-produit de la production du biodiesel) et le bioéthanol (un produit de la fermentation de la biomasse).

Cependant, les réactions de reformage requièrent beaucoup d’énergie. L’utilisation d’un catalyseur abaisse l’énergie d’activation de la réaction permettant ainsi une économie d’énergie. Les matériaux préparés par voie hydrotalcite présentent des propriétés catalytiques intéressantes telles qu’une aire spécifique élevée, une acido-basicité modulable, une homogénéité des oxydes formés, une bonne dispersion de la phase active et une stabilité thermique élevée.

L’étude proposée dans le cadre du projet ARCUS «E2D2» sera focalisée sur le reformage des hydrocarbures (COV) et des alcools sur des matériaux catalytiques de type hydrotalcite. Des catalyseurs massiques ou supportés seront préparés par voie hydrotalcite, caractérisés par différentes techniques physico-chimiques et testés dans les réactions de reformage mentionnées précédemment. Des études de cinétique et de mécanismes réactionnels sont également prévues. Elle fait suite à une thèse de cotutelle menée en collaboration entre l’ULCO et l’université de Balamand au Liban et financée par le CNRS libanais et l’AUF. Parallèlement, et dans l’attente de cette transition énergétique, des travaux dans le domaine de la catalyse sont menés en collaboration avec les partenaires afin d’élimer le soufre dans les carburants traditionnels et de minimiser leur impact environnemental. Ainsi, une thèse en codirection pour l’obtention de carburants propres «Effet de la structuration des supports pour la catalyse d’oxydésulfuration» est en cours entre l'Université Lille 1 et l’Université Libanaise.

Outre les applications catalytiques, des matériaux piézoélectriques et thermoélectriques peuvent contribuer au développement énergétique durable par le biais de la récupération d’énergie vibratoire ou thermique. La recherche de nouveaux matériaux possédant des propriétés multifonctionnelles représente un grand intérêt économique pour l’industrie de la micro/nanoélectronique. En effet, réduire les coûts de production en proposant sur le marché des composés aux domaines d’applications multiples intégrant le paramètre d’éco-conception s’avère primordial et représente un enjeu pour les années futures.

 Dans ce projet, les équipes impliquées se focaliseront sur les matériaux piézoélectriques «verts» c'est-à-dire sans plomb. Le matériau de référence est le PZT qui présente les meilleurs coefficients piézoélectriques. Les matériaux de «rupture» ou de remplacement sont: le BNT (et BNT-BT), le KNN.

Deux technologies seront mises en œuvre: la fabrication de céramiques (bulk) et la fabrication de films (déposés sur substrat). Un travail conséquent a déjà été initié sur la croissance de films de BNT par pulvérisation cathodique au sein du DOAE. Les films sont déposés sur substrat de silicium (pour l’intégration MEMS). Les réponses piézoélectriques sont similaires à celles du PZT (d33 = 100 pm/V). Une optimisation des conditions de croissance est nécessaire et notamment l’ajout de BT (phase morphotropique BNT-BT) où les propriétés piézoélectriques devraient être encore meilleures. Avec nos collègues de l’Université Libanaise, nous avons engagé une collaboration depuis deux ans qui se traduit par l’accueil au laboratoire de Master 2 (spécialité Électronique Industrielle) sur cette thématique. Ils disposent de techniques de dépôt différentes des nôtres: sol gel et ablation laser. Par ailleurs, ils ont fait l’acquisition de nombreux équipements technologiques et de caractérisations à l’échelle nanométrique et ils ont exprimé le souhait d’un accompagnement dans la mise en place des équipements et de leur utilisation. Le DOAE possède effectivement une expertise dans le domaine des nanotechnologies et ce soutien est tout à fait en accord avec nos compétences.

Parallèlement, des dispositifs piézoélectriques souples à base de polymères piézoélectriques ou non chargés en phases minérales piézoélectriques ou non seront étudiés. Le comportement ferroélectrique de ces matériaux sera investi de façon à mieux comprendre les influences des cycles d'apprentissages piézoélectriques, les influences de la nature des phases cristallines et de la phase amorphe sur la réponse piézoélectrique. Enfin, des récupérateurs d'énergie vibratoire compacts robustes (centimétriques) pouvant transformer des énergies de l'ordre du mW seront étudiés.

D’un autre côté, les dispositifs thermoélectriques sont constitués de matériaux qui convertissent l’énergie thermique en énergie électrique par l’intermédiaire de l’effet Seebeck. Lorsqu’une différence de température existe entre deux faces d’un élément thermoélectrique, une différence de potentiel électrique est alors générée. Leurs performances dépendent du coefficient Seebeck (S) et du facteur de mérite zT = S²s/k  avec s la conductivité électrique et k la conductivité thermique. Ces matériaux trouvent depuis de longues dates des applications dans des secteurs de niche comme l’aérospatial ou les dispositifs de mesure de températures. Cependant, la faible efficacité énergétique de ces dispositifs a longtemps constitué un frein à leur développement. Un regain d’intérêt est apparu

au début des années 2000 avec lapparition des nano composites, laissant espérer des efficacités de conversion bien plus élevées. Les applications dans le domaine énergétique sont nombreuses comme la récupération de lénergie perdue par les dispositifs de conversion de lénergie, les capteurs solaires ou les systèmes de réfrigération. Néanmoins, loptimisation des caractéristiques des convertisseurs thermoélectriques est loin dêtre triviale car lamélioration dune des propriétés conduit souvent à la dégradation des autres. Cest pourquoi la compréhension et la modélisation des mécanismes de transfert est un enjeu important dans le dimensionnement de ces nouveaux matériaux.

LUDSMM a développé une technique photothermique originale de mesure des paramètres thermiques des matériaux thermoélectriques. Cette technique a été utilisée afin de mesurer la conductivité thermique de matériaux nano composites à matrice poly-aniline dopée combiné sous forme hybride avec des nanotubes de carbone. Notre équipe dispose également des appareillages nécessaires pour la mesure de la conductivité électrique et du coefficient de Seebeck. Le laboratoire est également capable de synthétiser certains de ces matériaux. Une expertise en modélisation des phénomènes de transport aux nanoéchelles est néanmoins requise pour progresser dans la formulation et lélaboration de ces convertisseurs et, une collaboration avec une équipe spécialiste de la modélisation des mécanismes de transport est envisagée.