Description du sujet de thèse

Titre: Intégration de réfrigérants à faible impact environnemental. Étude et développement de pompes à chaleur innovantes à fluides réactifs

Résumé du sujet :
Dans le contexte de la transition énergétique et de la décarbonation du chauffage résidentiel, le développement de systèmes thermodynamiques à haute efficacité et à faible impact environnemental constitue une priorité majeure. Le choix du fluide frigorigène utilisé dans les pompes à chaleur joue un rôle central dans cette évolution, influençant à la fois les performances énergétiques, l’empreinte environnementale et la conformité réglementaire des systèmes.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet de recherche "Smartfluid", coordonné par BDR Thermea en collaboration avec le LRGP (Laboratoire Réactions et Génie des Procédés). Ce projet d’une durée de 48 mois vise à concevoir une pompe à chaleur disruptive, fondée sur un principe thermodynamique innovant et une régulation intelligente embarquée, afin d’améliorer ses performances énergétiques tout en réduisant activement son impact environnemental.
Le travail doctoral proposé aura pour objectif d’évaluer la faisabilité technique, environnementale et réglementaire de l’utilisation de fluides de travail alternatifs dans les systèmes de pompes à chaleur résidentielles.
L’innovation thermodynamique du projet repose sur l’emploi d’un fluide capable de subir une réaction chimique de dimérisation, permettant d’intégrer une composante d’énergie chimique au sein du cycle de la pompe à chaleur, et ainsi d’en améliorer le rendement global.
De plus, ce fluide constitue un réfrigérant naturel, offrant une alternative plus sûre et plus respectueuse de l’environnement que le propane et d’autres réfrigérants synthétiques couramment utilisés.

Approche méthodologique :
1. État de l’art sur les fluides de travail et le cadre réglementaire.
Une revue bibliographique approfondie sera menée afin d’identifier les réfrigérants actuels et émergents utilisés pour les applications résidentielles. Cette étude portera sur leurs propriétés thermophysiques et chimiques, leur compatibilité avec les équipements existants, ainsi que sur les contraintes réglementaires associées (par ex. : réglementation F-Gas, inflammabilité, toxicité, classifications de sécurité). Ce travail permettra d’établir le contexte scientifique et réglementaire nécessaire au développement de réfrigérants de nouvelle génération.
2. Modélisation d’une pompe à chaleur résidentielle à compression de vapeur utilisant des réfrigérants inertes.
Plusieurs réfrigérants conventionnels, dits "inertes", seront étudiés à l’aide d’outils de modélisation thermodynamique développés au laboratoire. L’objectif est d’évaluer leurs performances énergétiques, leurs limites thermodynamiques et leur adéquation aux conditions d’usage résidentiel, afin d’établir une base de comparaison avec les fluides réactifs.
3. Modélisation d’une pompe à chaleur résidentielle à compression de vapeur utilisant des réfrigérants réactifs
Une approche de modélisation similaire sera appliquée aux fluides réactifs et à leurs mélanges avec des composants inertes. L’étude analysera l’influence de la réactivité chimique sur les performances du système, le dimensionnement des composants et la stabilité de fonctionnement, dans le but d’identifier les avantages potentiels et les contraintes associés à ces nouveaux fluides de travail.
4. Évaluation théorique des performances du compresseur avec des fluides réactifs.
L’utilisation de fluides réactifs est susceptible d’influencer de manière significative le fonctionnement du compresseur. Ce volet visera à évaluer les effets sur le rendement thermodynamique, la stabilité chimique, la lubrification, la compatibilité des matériaux et l’usure mécanique. Une attention particulière sera portée aux interactions possibles entre les espèces réactives et les matériaux du compresseur, ainsi qu’aux stratégies d’atténuation envisageables.
5. Analyse de la compatibilité des matériaux et des composants avec les fluides réactifs.
Une analyse approfondie des interactions potentielles entre les fluides réactifs et les matériaux constitutifs du système (par exemple : surfaces des échangeurs thermiques, joints d’étanchéité, composants du compresseur) sera réalisée. L’objectif est d’anticiper les risques liés à la corrosion, à la dégradation des matériaux ou à une diminution de la durée de vie des composants.
6. Collaboration avec BDR Thermea – conception et essais d’un prototype de pompe à chaleur utilisant le nouveau fluide réactif et un fluide inerte.
En collaboration avec le partenaire industriel BDR Thermea, un prototype de pompe à chaleur intégrant le nouveau fluide réactif (pur ou en mélange avec un fluide inerte) sera conçu, fabriqué et testé expérimentalement. Cette phase permettra de valider les modèles développés et d’identifier les principaux verrous techniques à lever pour une future mise en œuvre industrielle.
7. Amélioration du code interne de simulation de cycles thermodynamiques.
Le code interne existant pour la simulation des cycles thermodynamiques sera enrichi afin de prendre en compte le comportement des fluides réactifs. Les développements comprendront l’intégration éventuelle de modèles de réactions chimiques, l’amélioration des corrélations de propriétés des fluides, ainsi que la possibilité d’optimiser les cycles en tenant compte des nouvelles contraintes liées à la réactivité chimique.

Ce travail de recherche devra permettre de :
- Mieux comprendre le potentiel et les limites des fluides réactifs dans les systèmes de pompes à chaleur résidentielles ;
- Développer des modèles prédictifs robustes, adaptés à des fluides de travail non conventionnels ;
- Fournir des recommandations technologiques pour le choix des matériaux et des composants compatibles avec ces nouveaux fluides ;
- Contribuer à l’évolution du cadre réglementaire relatif aux réfrigérants à faible potentiel de réchauffement global (PRG) ;
- Aboutir à la démonstration expérimentale d’un concept de pompe à chaleur innovant utilisant des fluides de travail alternatifs.

Environnement de recherche et opportunités
Le doctorant(e) intégrera une équipe dynamique et pluridisciplinaire impliquée dans plusieurs projets scientifiques en cours portant sur les systèmes thermiques et électriques durables, les réfrigérants à faible potentiel de réchauffement global (PRG), et la modélisation thermodynamique.
Des collaborations avec d’autres équipes de recherche, internes et externes, seront encouragées, offrant l’opportunité d’interagir avec des spécialistes de la mesure de propriétés thermophysiques, de la thermodynamique computationnelle et de la conception de pompes à chaleur.
Le doctorant(e) acquerra ainsi une expérience précieuse de travail en équipe au sein d’un environnement scientifique favorisant l’innovation, le partage des connaissances et la recherche appliquée orientée vers les défis réels de la transition énergétique.

Compétences requises
- Compétences transversales : Esprit critique et analytique développé ; Excellentes capacités de rédaction scientifique ; Bonne gestion du temps et sens de l’organisation ; Aptitude au travail collaboratif ; Attitude proactive et orientée vers la recherche de solutions.
- Compétences techniques : Solides bases en génie mécanique et génie énergétique ; Maîtrise des outils de modélisation et de programmation (par ex. : Python, MATLAB ou équivalents) ; Intérêt pour la thermodynamique appliquée, la simulation numérique et les systèmes à énergie durable.

Contexte de travail

Le Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (UMR 7274) est une unité mixte du CNRS et de l'Université de Lorraine créée le 1er janvier 2010 et basée à Nancy. Son objectif scientifique général concerne l'étude des procédés pris dans leur globalité et leur complexité. Le LRGP développe des connaissances scientifiques et technologiques nécessaires à la conception, l'étude, la conduite et l'optimisation des procédés complexes de transformation physico-chimiques et biologiques, de la matière et de l'énergie. L'unité compte plus de 300 personnes, avec près de 20 chercheurs CNRS, 80 enseignants chercheurs, 45 personnels techniques et administratifs et 180 personnels non permanents (chercheurs sur contrats, 85 doctorants, post-doctorats, masters.

Ce projet de recherche sera réalisé dans l'axe CiTherE qui est constitué de spécialistes en cinétique chimique, thermodynamique et génie de la réaction chimique. Les domaines d'études sont principalement centrés sur l'énergie et ont pour objectif le développement de systèmes énergétiques plus performants, plus économes et plus respectueux de l'environnement, à travers une approche couplant la chimie physique et le génie des procédés. Les travaux expérimentaux et théoriques développés au sein de cet axe conduisent à une approche originale permettant de passer de la compréhension et de la modélisation des phénomènes à l'échelle moléculaire à l'échelle du réacteur ou du procédé.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.