Fluides réactifs pour intensifier la conversion de l'énergie thérmique – REACHER

Les moteurs thermiques, les systèmes de réfrigération et les pompes à chaleur reposent sur des cycles thermodynamiques, dans lesquels un fluide de travail inerte convertit les énergies thermique et mécanique en entrée, en une autre forme d'énergie utile (travail ou chaleur), en modifiant cycliquement son propre contenu en énergie thermique. Bien que la sélection du fluide de travail soit le levier principal pour augmenter les performances des cycles thermodynamiques, les rendements enregistrés s’avèrent être bien inférieurs aux plus hauts réalisables, quel que soit le fluide sélectionné. Ce problème affecte fortement l'exploitation de la chaleur fatale et des énergies thermiques renouvelables, et représente la principale cause de la lente amélioration des performances des pompes à chaleur et des technologies de refroidissement.
Dans le but d'augmenter d’une manière importante les performances des cycles thermodynamiques, je propose un projet visant l'étude d’une structure thermodynamique radicalement nouvelle, résultant de l'utilisation de fluides de travail réactifs au lieu de fluides inertes. Des calculs préliminaires ont en effet montré que la conversion simultanée des énergies thermique et chimique des fluides réactifs peut conduire à l'intensification des procédés de conversion d'énergie. En particulier, REACHER vise à surmonter le principal problème qui m'empêche actuellement de démontrer la potentialité de ce nouveau concept, à savoir la recherche de réactions appropriées.
La recherche de fluides de travail réactifs adaptés nécessite de faire appel à plusieurs disciplines: la physique (thermodynamique des fluides et physique moléculaire), la chimie (cinétique, conception de réactions), le génie des procédés énergétiques (conception de cycles thermodynamiques), les mathématiques (formulation mathématique du problème d'optimisation) et l’informatique (définition d'algorithmes stables pour résoudre le flash réactif, implémentation d'algorithmes d'optimisation et de « machine learning »).
Probablement en raison de la multidisciplinarité complexe du problème ou du peu d’attention apporté à cette conversion prometteuse d'énergie chimique dans des cycles thermodynamiques, cette voie de recherche est restée jusqu’alors inexplorée.
REACHER cherche à atteindre un objectif à deux niveaux : d’une part, la conception de fluides réactifs équilibrés, au moyen d'une méthodologie originale permettant la prédiction des propriétés thermodynamiques et cinétiques des fluides, afin de permettre, d’autre part, l'exploration d'un nouveau domaine des sciences de l'énergie, basé sur l'exploitation de l'énergie chimique dans des cycles thermodynamiques fermés.
La méthodologie mise en œuvre dans le projet REACHER se décompose en trois étapes. Dans un premier temps, un outil permettant de prédire les propriétés thermodynamiques des molécules intervenant dans les réactions sera développé. Dans une deuxième phase, des réactions thermodynamiquement et cinétiquement appropriées seront recherchées ou conçues puis caractérisées. Enfin, sur la base de cette liste de fluides et au moyen de l'outil thermodynamique développé initialement, la dernière phase mettra en œuvre une méthodologie capable d’optimiser l'architecture des cycles thermodynamiques fonctionnant avec ces fluides.
Le développement de REACHER permettra de comprendre comment l'énergie chimique peut être efficacement exploitée pour intensifier des cycles thermodynamiques permettant de produire de l’électricité, du froid et de la chaleur pour le chauffage. Si les performances attendues sont confirmées par l’expérience, les résultats de ce projet permettront une exploitation des chaleurs résiduelles disponibles et des sources d'énergie thermique renouvelables, dans de nouvelles installations, de taille largement inférieure aux technologies actuellement utilisées et bien plus efficaces.