Micro-dispositif performant pour la récupération de chaleur de bas niveau – HiPerTherMag

L'objectif de ce projet est de démontrer la production d'énergie thermo-magnétique (TMG) en utilisant des matériaux à effet magnéto-calorique géants (MCM) comme substance de travail pour convertir la chaleur fatale de faible température en électricité. Nous montrerons qu’un TMG à base de MCM peut rendre possible nouvelle génération de micro-générateurs à haute densité de puissance orientés vers des applications dans les bâtiments intelligents, les centres de données, les MEMS et les systèmes autonomes liés à IoT. Ceci sera réalisé par la conception et l'assemblage d'un dispositif TMG à haute densité de puissance. Nos études montrent qu'un contrôle actif et thermodynamiquement optimisé des transformations cycliques est la clé pour améliorer les performances du système. Par conséquent, de nos jours, le véritable verrou à faire sauter est d'atteindre un cycle thermodynamique optimal et contrôlé. Cela pose le problème d'intégrer efficacement le matériau actif avec la source de champ et de réaliser un contrôle thermique et mécanique satisfaisant du système. L'originalité de notre approche repose sur le fait que qu’on traitera le problème à partir d'une approche thermodynamique en temps finis, prenant en compte la production d'entropie due à la nature non quasi-statique des transformations, guidera les tâches consacrées à la conception d'un dispositif TMG au-delà de l'état de l'art, à l'optimisation des propriétés physiques des matériaux actifs et à la bonne intégration de la substance active dans le système. Notre démarche est:
(a) la modélisation thermodynamique d'un TMG utilisant un matériau calorique comme substance de travail ; nous nous intéresserons ici à l'interaction entre l'équation d'état de la substance active, les échanges thermiques en temps finis (échanges non-statiques) et l'efficacité à puissance maximum;
(b) la production et la caractérisation de films MCM aux propriétés optimisées ; le but principal étant ici de maximiser le changement de température adiabatique et de minimiser tous les processus irréversibles intervenant lors du changement de phase (hystérésis et cinétique de transition);
(c) la conception et la réalisation d'un interrupteur thermique pour exercer un contrôle total des échanges thermiques tout au long du cycle thermodynamique TMG ; les objectifs clés ici sont un rapport élevé entre les états de haute (on) et basse (off) conductance thermique, une conductance thermique de l'état allumé le plus haut possible et un temps de commutation court;
(d) la conception et l’intégration d'un réseau optimisé de micro-aimants : le but est ici double: d'une part, nous avons besoin d'un champ maximal approprié pour réaliser la transition de phase, d'autre part nous devons contrôler judicieusement la forme spatiale du champ pour ajuster correctement son intensité tout au long du cycle thermodynamique en utilisant de petits déplacements du film calorique;
e) la conception et la réalisation du transducteur de conversion d'énergie mécanique-électrique, intégré dans l'interrupteur thermique: l'objectif est, selon le mécanisme de transduction considéré (piézoélectrique, magnétique ou capacitif), de concevoir la structure présentant le rendement de conversion le plus élevé tout en respectant les contraintes imposées par le comportement mécanique et thermique du film MCM.
f) enfin, nous comparerons la densité de puissance et l'efficacité de notre dispositif entièrement assemblé aux micro-générateurs thermiques existants. Ainsi, en associant la caractérisation et l'optimisation avancées des matériaux à une conception innovante du système et à une simulation thermodynamique des principales propriétés technologiques de l'appareil, nous montrerons que l'utilisation de matériaux magnétocaloriques géants dans des microsystèmes TMG peut accroître la TRL de cette technologie de 3 à 4.