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Doctorant-e H/F intitulé de la thèse "Vers une optimisation de la circularité en électronique de puissance"

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : jeudi 28 octobre 2021

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Informations générales

Référence : UMR5269-NADMIC-010
Lieu de travail : GRENOBLE
Date de publication : jeudi 7 octobre 2021
Nom du responsable scientifique : CREBIER - Jean-Christophe G2Elab , PERRY Nicolas I2M
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 janvier 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

La transition énergétique et climatique consacre le vecteur électricité en lieu et place des énergies fossiles. L'Electronique de Puissance (EP) conditionne l'énergie électrique assurant la liaison entre les sources et les charges. L'EP est très présente dans les systèmes qui nous entourent, assurant des fonctions dont il est difficile de se passer aujourd'hui, notamment pour la production des Energies Renouvelables comme le photovoltaïque ou l'éolien, mais aussi au niveau des usages avec les différentes mobilités électriques, la climatisation des bâtiments, l'alimentation des systèmes numériques ... Cette tendance à l'accélération des usages de l'électronique fera de l'EP un fort consommateur de matières premières et un contributeur majeur en volumes de déchets électroniques produits par nos sociétés. Si le recyclage en fin de vie peut réduire la pression sur l'extraction des matières premières en réintroduisant une partie des matières recyclées dans la chaine de valeur, la perspective du réemploi de certains sous-systèmes ou composants, même partiel est essentielle (Fig1). Toutefois, pour que le réemploi en EP puisse être envisagé, il doit : garantir un haut niveau de fiabilité et de robustesse et se saisir de l'opportunité d'une continuité d'offre de services d'usages de biens conçus, de prime abord, avec un fort niveau de réparabilité et en anticipant une préservation de la valeur résiduelle des dispositifs.
Pour répondre à cette problématique réelle, 5 partenaires, 3 académiques et 2 industriels se sont associés dans le cadre du projet ANR VIVAE. L'objectif du projet d'une durée de 42 mois est d'étudier et d'apporter des contributions conceptuelles, méthodologiques et technologiques, pour favoriser l'exploitation et l'extraction de la valeur résiduelle des convertisseurs statiques, en amont de la phase de recyclage. Il s'agit de retarder le recyclage qui correspond à un broyage des composants et donc à une perte fonctionnelle totale ainsi qu'une perte matérielle importante par dissipation de la matière, voire d'exportation des flux de matériaux en dehors de l'Union Européenne. Les laboratoires G-SCOP, I2M et G2Elab apporteront leurs expertises respectives pour relever les défis méthodologiques et technologiques du projet. Les sociétés EATON et OSCARO-POWER apporteront leurs expertises techniques de terrain dans le domaine, tout en confrontant les développements menés en laboratoire au réalisme du monde de l'industrie en relation avec tous les acteurs de la chaine de valeur concernée. Pour relever les défis du projet, l'équipe de recherche sera structurée autour de deux recrutements en thèse (36 mois) et de deux post-doctorants (12 mois) et une dizaine de stagiaires en projet de fin d'étude.
La présente thèse s'inscrit dans ce cadre avec pour ambition de revisiter la conception des convertisseurs statiques pour favoriser des techniques de désassemblages pour une valorisation optimale en fin de vie.
Le travail du doctorant s'intéressera au développement couplé de produits et de processus pour la récupération des sous-systèmes et composants d'un convertisseur de puissance dont les valeurs fonctionnelle et matérielle auront été jugées intéressantes selon des facteurs économiques, sociétaux et environnementaux.
Une première analyse de refonte de l'architecture de ce type de système sera menée, en étudiant, d'une part, les opportunités de modularité et de standardisation et, d'autre part, la manière d'exploiter physiquement cette segmentation du produit pour permettre une réparation simple et efficace des éléments à forte valeur résiduelle (économique, matérielle, contenu énergétique) en fin de vie. De nouvelles voies de réparation seront à considérer pour prolonger la durée de vie de ces produits, tout en cherchant à minimiser les impacts environnementaux générés à chaque étape.
Ce travail va lier des choix et solutions de conception par la modularité à l'efficacité de récupération / réparation de ce type de produits. Or cette modularité implique des contraintes : i) de conception (alliant les performances électriques du systèmes et les performances des architectures et connexions entre sous-systèmes et sous-composants) ; ii) de démontage (impacté par les solutions de démontage et leurs effets sur le ou les composants désassemblés) et, iii) de marché (piloté par des besoins en composants ou sous systèmes toujours nécessaires en réparation ou production et l'existence de stocks et fournisseurs / brokers de ces composants).
Les modèles et critères technico-économiques-environnementaux détermineront les valeurs associables aux différents éléments du convertisseur de puissance, alimentant ainsi la décision de valorisation ou de recyclage de ces éléments, contraints par les facilités de récupération.
Les valeurs économiques et environnementales dépendront de la qualité et des performances du(es) composant(s) ou de la (des) sous-pièce récupérée(s) et de la complexité du processus mis en œuvre pour la (les) récupérer. On cherchera alors à proposer des solutions (physiques et numériques) en conception facilitant à la fois un processus d'assemblage et un processus de désassemblage ne dégradant pas les éléments à forte valeur fonctionnelle ou matérielle. Ces solutions de désassemblage / récupération de composants devront être agiles pour s'adapter aux différents types de convertisseurs de puissances.
Pour pouvoir proposer les éléments récupérés comme solutions pour réaliser de nouveaux produits ou comme éléments de réparation, il faudra connaître et maîtriser les performances et caractéristiques des composants « d'occasion », récupérés. Ce travail tentera également d'établir des exigences de qualification pour guider les étapes de diagnostic et de test physique ou numérique avant, pendant ou après le désassemblage.
La valeur des composants de seconde vie dépend également des parties prenantes et de l'ensemble de la chaine de valeur (brokers, logistique, …), du marché (demande, prix, …) et de la capacité à mettre en relation et faire identifier des composants pour des usages (Market places). Ce travail définira la structure de données (liée aux données du produit, aux informations sur la durée de vie et au processus de fin de vie ...) en se projetant sur les nécessaires liens pour aller vers les solutions réelles de valorisation / ré-usage de composants (n'excluant pas les options de recyclage) et leurs business model associés.


3 lignes directrices vont servir à guider ce travail de thèse, et pourront être menées en parallèle :
1. Un travail sur le produit et une revisite des solutions d'architecture de produits en poussant les approches modulaires et de standardisation, considérant les contraintes d'assemblage/ désassemblage – réparation – récupération des éléments à forte valeur ajoutée (voir illustration ci-dessous). Il s'agira ici d'élaborer un cahier des charges fonctionnel type du produit et des contraintes associées.
En effet l'un des verrous résidera dans l'identification des limites technico-économico-environnementales d'une telle approche cherchant le point d'équilibre entre une vision tout modulaire (approche LEGO®) et une solution tout intégré (comme actuellement) (Fig.2).
Il s'agira ensuite de proposer des solutions pratiques pour générer des inventaires du cycle de vie, et pour tester les effets de ces scénarios de process industriels « en pratique ».

2. Un travail sur les solutions de désassemblage et le processus de diagnostique / désassemblage automatisé / qualification, complété par une approche d'acquisition d'informations durant le processus pour optimiser les opérations sur les composants aux valeurs résiduelles les plus fortes. Il s'agira d'élaborer un cahier des charges fonctionnel type de la ligne de désassemblage, et des contraintes associées. Puis de proposer des solutions pratiques pour générer des inventaires du cycle de vie et pour tester les effets de ces scénarios de process industriels « en pratique ».
L'un des verrous consiste à formaliser les contraintes associées aux processus de fin de vie pour alimenter la conception optimisée des familles de produits convertisseurs de puissance. Un second verrou est lié au besoin de s'adapter à des réalités de produits différents (dans leur morphologie ou leur historique) et une recherche de processus robustes, performants mais aussi à faibles coûts relatifs (économiques et environnementaux – via le second travail de doctorat). Cette adaptation aux contraintes du réel, potentiellement non anticipée à priori, nécessite un travail itératif « modélisation-développement-mesure-réajustement ».

3. Un travail sur l'analyse de la chaine de valeur et des parties prenantes couplée à la définition de structures d'informations et de capacités d'échanges entre ces acteurs pour construire des filières de valorisation des éléments récupérés ou des convertisseurs réparés. Ce système d'information doit aussi s'alimenter dès le début de la définition du produit pour interagir avec les évaluations diverses (entre-autres environnementales issues du travail du second travail de thèse) pour avoir une approche produit / procédé / processus / organisation dans lequel les évaluations de performances techniques / économiques et environnementales sont construites et partagées.

Organisation de la thèse :
Lieu de thèse partagé entre les laboratoires de Grenoble et Bordeaux, dans l'idéal de manière équilibrée (à discuter selon les contraintes personnelles du candidat).
Des échanges avec les industriels situés dans la région Grenobloise sont à prévoir dans le calendrier prévisionnel de thèse, selon les périodes de présence à Grenoble ou à Bordeaux.

Profil recherché idéal :
Compétences en : conception en mécatronique et ingénierie, génie industriel, génie électrique & électronique de puissance, co-botique/robotique,
Le candidat attendu devra démontrer des compétences dans deux ou plus de ces compétences.

Le contexte de thèse s'inscrit dans le cadre de l'économie circulaire. Le candidat devrait montrer un intérêt aux enjeux environnementaux, à la problématique de la soutenabilité, avec une sensibilité en éco-conception et aux outils d'analyse d'impact environnemental.

Le recrutement comportera deux étapes : la première sera l'évaluation des candidatures sur la base des CV reçues par mail, puis une audition des candidatures retenues pour la seconde étape, où le candidat aura l'occasion d'échanger avec l'équipe encadrante en présentant son projet.

Contexte de travail

Le travail de thèse se déroule dans le cadre du projet ANR VIVAE qui regroupe plusieurs partenaires académiques et industriels. La thèse est codirigée par des personnels chercheurs en enseignants chercheurs de trois laboratoires suivants : I2M, G2ELab et G-SCOP.
Les partenaires industriels contribuent au bon déroulement de la thèse.
Le doctorant devra participer à la rédaction des rapports en lien avec la justification du projet de recherche collaborative.

Contraintes et risques

La thèse se déroule en partie au sein du laboratoire de Génie Electrique de Grenoble en lien avec l'usage de l'énergie électrique. Si cela s'avère nécessaire pour la conduite de travaux expérimentaux, le candidat sera formé via une habilitation électrique pour les locaux du laboratoire.
De plus, la thèse sera réalisée dans deux laboratoires différents en France, l'un situé à Grenoble et l'autre situé à Bordeaux. Le candidat devra vivre et se déplacer d'un endroit à l'autre une ou deux fois au cours de la période de doctorat.
Le doctorant devra participer activement à la rédaction des rapports en lien avec la justification des dépenses dans le cadre du projet de recherche collaborative.

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