Axe 5 : intégration/ procédés/ couplage de procédés

Thématique de l’Axe 5

Si la production de carburants solaires adresse de nombreux verrous fondamentaux (voir Axes 1-4 et 6), le développement de procédés solaires, à terme à grande échelle (i.e. à l’échelle industrielle), nécessite également d’intégrer le plus tôt possible dans le débat scientifique des discussions sur la mise en œuvre à l’échelle ultime et sur ses contraintes liées à l’extrapolation. Ainsi, il est très important de se doter dès à présent d’outils de conception et d’optimisation des installations. Qu’il s’agisse de photoréacteurs, cellules photo-électro(bio)chimiques, procédés membranaires, procédés hybrides (PV/électrolyse),… la démarche consiste à développer des modèles de connaissance multi-échelles dans lesquels sont prises en considération les principales étapes qui limitent ou contrôlent les performances globales du procédé au niveau de l’application finale (à la fois en termes de productivité et d’efficacité thermodynamique). Ces modèles, reposant sur une connaissance fine des processus limitant à chaque échelle nécessitent d’intégrer les dernières avancées en sciences fondamentales, notamment en catalyse, modélisation moléculaire, nanosciences et matériaux, fabrication de couches minces, photoélectrochimie. C’est pour cette raison qu’il est extrêmement important de pouvoir regrouper au sein d’une même communauté engagée sur la thématique des carburants solaires, à la fois des spécialistes en science fondamentale, mais aussi des spécialistes du génie des procédés, de l’énergétique, de physique du rayonnement et du solaire.

Programme de recherche

L’axe 5 aura donc pour mission de susciter des échanges entre les spécialistes des autres axes travaillant en recherche fondamentale amont, généralement à petite échelle (Axes 1-4 et 6) et des spécialistes de l’intégration et des procédés qui réfléchissent à des concepts extrapolables à grande échelle et à haute efficacité énergétique (optimisation et design sous contrainte énergétique). Ce dialogue est fondamental car il permet d’une part de développer des modèles génériques (en ce sens qu’ils permettent à terme d’avoir des réponses définitives à tout questionnement provenant de l’industrialisation), et d’autre part, de « piloter » efficacement par l’aval la recherche fondamentale qui vise (comme dans le cas présent) une application industrielle à terme. L’enjeu est considérable puisque s’agissant de photo-procédés, le passage entre les dispositifs de laboratoire et l’échelle industrielle met en jeu un à deux ordres de grandeur sur les performances de production et d’efficacité énergétique.

Les actions pourront donc porter par exemple (liste non exhaustive) aux interfaces suivantes (impliquant l’ensemble des autres axes du GDR) :

• Propriétés optiques et radiatives / électromagnétisme / modélisation moléculaire
• Transfert de rayonnement / photocatalyse / membranes / matériaux / complexes moléculaires
• Transport de charges / nanomatériaux et nanosciences
• Génie électrochimique / matériaux / électrodes volumiques
• Génie électrochimique / caractérisation des performances (bio)catalytiques
• Couplages thermocinétiques avec le champ de radiation
• Conception optimisée sous contrainte énergétique
• Intégration et optimisation des processus élémentaires dans des démonstrateurs solaires

Elles devraient conduire à des avancées scientifiques permettant de développer des modèles de connaissances des photo-procédés autorisant leur simulation et par suite, servant de base pour leur conception, extrapolation, optimisation et commande prédictive à l’échelle industrielle. Le concept de procédés hybrides est une voie prometteuse qui sera explorée, notamment à travers certains nouveaux concepts PV et leur adaptabilité pour créer des systèmes de production de carburants, mais aussi le couplage avec une valorisation thermodynamique du spectre infrarouge.