Le secteur de la R&D en énergie est en plein développement au niveau mondial, tant du fait des besoins énergétiques soutenus que des contraintes environnementales de plus en plus fortes. Les évolutions technologiques sont rapides et nombreuses, générant un appel important pour des professionnels capables d'accompagner leur développement. Pour répondre à ces besoins, cette formation forme de jeunes ingénieurs et de futurs chercheurs aptes à travailler sur les nouveaux modes de production d'énergie (notamment les renouvelables) et l'efficacité énergétique.
La formation permet un parcours construit à la carte, faisant ressortir des domaines majeurs qui peuvent être le photovoltaïque, l'éolien, l'efficacité énergétique, le vecteur hydrogène, le stockage. Ces axes majeurs sont complétés par des enseignements de techniques avancées sur les matériaux ou de connaissance du nucléaire, enjeu incontournable du débat français.
Tous ces domaines allient une recherche fondamentale très active, dans laquelle l'université Paris-Saclay est un des pôles mondiaux, et des applications industrielles nombreuses et en pleine croissance. Cette position à l'interface entre recherche fondamentale et mise au point de solutions concrètes se retrouve dans les enseignements, qui vont d'un cours sur la politique de l'énergie jusqu'à un TP sur accélérateur de particules. Cela ouvre donc des débouchés très larges, de la poursuite en doctorat jusqu'à des postes de conseil en énergétique en passant par les différentes nuances de l'ingénierie.
Lieu(x) d'enseignement
ORSAY
GIF SUR YVETTE
Pré-requis, profil d’entrée permettant d'intégrer la formation
Diplômé d'un M1 de Physique ou équivalent, avec notamment de solides bases en mécanique quantique, mécaniques des fluides et/ou thermique. Un réel intérêt pour les questions d'énergie est impératif.
Compétences
Identifier, formuler et analyser un problème dans ses dimensions scientifiques.
Utiliser et développer les modèles adaptés, choisir la bonne échelle de modélisation et
les hypothèses simplificatrices pertinentes pour traiter le problème.
Résoudre le problème avec une pratique de l'approximation, de la simulation et de
l'expérimentation.
Avoir approfondi un domaine ou une discipline relative aux sciences fondamentales ou aux sciences de l'ingénieur.
Créer de la connaissance, dans une démarche scientifique.
Être clair sur les objectifs et les résultats attendus. Être rigoureux sur les hypothèses et la démarche. Structurer ses idées et son argumentation. Mettre en évidence la valeur créée.
Débouchés de la formation
Les débouchés de la formation sont extrêmement variés : ingénieur dans l'industrie ; doctorant ; chercheur ou enseignant‐chercheur (après une thèse) ; ingénieur d'étude ; ingénieur en calcul scientifique ; ingénieur qualité ; ingénieur sécurité ; expert technique pour des organismes ; consultant...
Collaboration(s)
Laboratoire(s) partenaire(s) de la formation
Laboratoire de Génie Electrique et Electronique de Paris
Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie
Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière
Laboratoire d'Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l'Ingénieur
Institut de physique nucléaire d'Orsay
Laboratoire de Chimie Physique
Institut de chimie moléculaire et des matériaux d'Orsay
Unité de recherche SOLEIL.
Programme
Le semestre 1 regroupe l'ensemble des UE scientifiques. Il est divisé en 2 périodes d'enseignement de 2 mois et demi chacune.
On présente tout d'abord les fondements et concepts de l'électrochimie, puis la conductivité électrique des solutions, la thermodynamique des chaines galvaniques, la cinétique de transfert de charge interfaciale et les transformations chimiques. On présente ensuite les techniques expérimentales d'analyse des processus électrochimiques, les procédés d'intérêt industriel, et on introduit à la photo-électrochimie et à la physique des interfaces entre semi-conducteurs et électrolyte.
1. Rappels de Thermochimie
2. Thermodynamique générale et travail électrique
3. Les chaines galvaniques et interfaces électrochimiques à l’équilibre
(i) thermodynamique des interfaces électrochimiques
(ii) chaines galvaniques
4. Cinétique électrochimique
5. Les diagrammes tension-courant
6. Analyse des mécanismes à étapes multiples
7. Thermodynamique des processus irréversibles : phénomènes dissipatifs
8. Exercices d’application.
Prérequis :
Connaissances de bases en thermodynamique générale, mécanique quantique (structures électroniques et liaisons chimiques).
Jean-Paul Kleider, GEEPS
Sylvain Le Gall, GEEPS / Université Paris-Sud.
Déroulement et organisation pratique :
8 séances de 3h, incluant 18h de cours et 6h de TD.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Ce cours étudie le comportement des électrons dans la matière et ses applications en termes de semi-conducteurs et de composants pour des applications dans le domaine de la microélectronique et des énergies renouvelables, et particulièrement pour le photovoltaïque.
•Énergies possibles pour les électrons dans un solide, distinction entre métal et isolant/semi-conducteur, Dynamique des électrons, description en termes de quasi-particules libres
•Les semi-conducteurs : gap direct/indirect, relation de dispersion aux extrema de bandes, notion sur le dopage, position du niveau de Fermi
•Phénomènes de transport : modèle de Drude ; semi-conducteurs hors équilibre, quasi-niveaux de Fermi, densités de courant, mécanismes de génération/recombinaison, notions de durée de vie, longueur de diffusion, génération optique
•Diagrammes d'énergie, types de potentiels et grandeurs associées. Tracé d'un diagramme des énergies à l'équilibre, et sous polarisation continue
•Jonction pn à l'équilibre et sous polarisation; diagramme des énergies à l'équilibre et sous polarisation. Détermination de l’équation de Shockley
•Hétérostructures (Schottky, MOS, hétérojonction semi-conducteur/semi-conducteur)
•Interactions électrons-photons ; dispositifs pour la photonique : diodes électroluminescentes, lasers, et cellules photovoltaïques.
Prérequis :
Connaissances de niveau M1 en physique de base, notamment électrostatique, ondes électromagnétiques, éventuellement physique du solide/matière condensée, cristallographie.
Bibliographie :
Physics of semiconductor devices, 3rd edition, by S.M Sze et Kwok K. Ng, Wiley
Principles of electronic materials and devices, 4th edition, by S. Kasap, Mc Graw Hill
Physique des semi-conducteurs et des composants électronique, H. Mathieu.
Laurent Audouin, maitre de conférences, Institut de Physique Nucléaire d'Orsay / Université Paris-Sud.
Déroulement et organisation pratique :
8 séances de 3h de cours.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Ce cours présente un tour d'horizon des techniques et technologies de production d'électricité nucléaire, en s'appuyant sur des bases solides de physique nucléaire. L'ensemble du cycle du combustible est traité, de la fabrication jusqu'aux méthodes de gestions des déchets. Les « REP » qui constituent le parc français sont décrits précisément, avec une ouverture sur les concepts de réacteurs innovants dits de Génération IV. Les questions de radio-protection, de sûreté et de démantèlement sont également abordées.
Prérequis :
Connaissances de base en physique nucléaire.
Bibliographie :
Energie, électricité et nucléaire (Gilbert Naudet, Paul Reuss - Eyrolles, Collection Génie atomique).
Mots clés : mécanique des fluides, Mécanique des milieux continus
Contenu :
- Equations bilan
- Tenseurs des taux de déformation et des contraintes
- Equation de Navier-Stokes et techniques de résolution
- Analyse dimensionnnelle, similitude
- Régimes inertiels et visqueux
- Couches limites
Compétences à acquérir : Maîtriser les bases tensorielles de la mécanique des fluides et de résolution de l'équation de Navier-Stokes.
Compétences complémentaires : Maîtriser les bases de l'analyse dimensionnelle.
Prérequis :
Connaissances de base en mécanique des fluides.
Bibliographie :
E. Guyon, J.-P. Hulin& L. Petit, "Hydrodynamique physique" (CNRS Editions)
S. Candel, "Mécanique des fluides" (Dunod)
P. Chassaing, "Mécanique des fluides : éléments d'un premier parcours" (Cepaduès Editions).
G. K. Batchelor, "An introduction to fluid dynamics" (Cambridge University Press).
* Première approche de réduction à partir de modèles discrets : du modèle nodal au modèle modal. Exemple en thermique des bâtiments
* Approche variationnelle de la décomposition : les grandes étapes de l’obtention d’un modèle d’état réduit.
* Compatibilité avec les conditions limites : espace H0 et H1. Non décomposabilité.
Exemple sur une paroi avec des conditions limites de Dirichlet, Fourier stationnaire et variable en temps, Non linéaire de type rayonnement.
* Introduction aux bases de branche. Intérêt de la condition de Steklov.
* Méthode de sélection des modes : critère de Marshall, Litz, Energétique, Amalgame.
* Cas du problème de diffusion avec transport. Opérateur non autoadjoint et conséquences. Exemple d’un disque de frein, d’une éprouvette de traction.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Objectifs :
Les problèmes thermiques sont omniprésents dans la conception des systèmes énergétiques mais aussi en thermomécanique, métrologie. La modélisation thermique aboutit le plus souvent à des modèles numériques de grande taille gourmands en place mémoire et en temps de calcul. Cet enseignement montre comment réduire la taille de ces modèles sans sacrifier l'intégrité géométrique et la dynamique temporelle. On envisagera l’approche de réduction par des modèles d’état où les solutions sont décomposées sur des bases de fonctions particulières. De très nombreuses bases existent (ondelettes, polynômes de Tchebychev, modes propres, base spectrale, …). Une fois ces bases déterminées il faut trouver des algorithmes qui sélectionnent les modes dominants, puis par une technique de projection du problème initial construire l’équation d’état réduite avant de passer à la simulation. Ces modèles réduits se révèlent aussi d’un grand intérêt pour régulariser les problèmes inverses ou pour l’identification de modèle.
Deux applications sont présentées, la première consiste en un simple problème monodimensionnel pour lequel les étudiants vont programmer l’intégralité des calculs éléments finis, la seconde présente une application en 2D plus proche d’un problème réel. L’ensemble des séances s’effectue en salle informatique, le support numérique utilisé est Matlab. L’examen de fin de module se déroule sur 3h, il comprend une première partie théorique, puis un exercice de programmation numérique.
Prérequis :
- Equation de la chaleur.
- Algèbre linéaire (matrices, diagonalisation).
- Séries de Fourier.
Bibliographie :
Allaire G.- Analyse numérique et optimisation. ISBN 2-7302-1255-8
Lefbvre G. - La méthode modale en thermique, ISBN 2-7298-3263-7
Dehausse R. - Energétique des bâtiments. Tomme II, ISBN 2-8533-0097-8.
Un plasma est un gaz partiellement ou totalement ionisé, assimilable à un fluide chargé. L’étude de cet état particulier de la matière est à l’origine de nombreuses technologies utilisant les plasmas. Parmi d’autres exemples, on peut citer en particulier des domaines développés depuis l’origine de la discipline comme l’éclairage (tubes à décharges et leurs évolutions), ou des applications plus récentes comme la réalisation des circuits intégrés dans des réacteurs à plasma, ou la mise au point de dispositifs utilisés pour la dépollution ou la stérilisation, ou encore le développement de propulseurs électriques pour le positionnement des satellites.
Ce cours débutera par une présentation succincte des plasmas et de leurs applications et conduira à élaborer un cadre conceptuel simple et intuitif permettant leur modélisation par une prise en compte auto-cohérente de leur caractère à la fois fluide (équations de la mécanique des fluides ou de Vlasov) et chargés (équations de Maxwell). Ce formalisme sera utilisé pour modéliser et analyser en détail les mécanismes physiques sous-jacents de plasmas variés : plasmas de fusion thermonucléaire, procédés de gravure par plasmas, propulsion par plasmas, tubes à décharge...
Prérequis :
Connaissances de niveau M1 en électromagnétisme, thermique et mécanique des fluides.
Martin Hennebel
Marc Petit
Loïc Queval
Jing Dai
Trung Dung LE.
Déroulement et organisation pratique :
-Présentation et organisation du secteur de l'énergie électrique (production, transport et distribution), architecture des réseaux de transport et distribution. Modélisation des éléments du réseau : Cours
-Méthode de calcul des transits de puissance (Load-flow) : Cours
-Réglage de tension sur un réseau électrique : Cours
-Réglage de fréquence sur un réseau AC : Cours
-Réglage du réseau : TD.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Présentation et organisation du secteur de l'énergie électrique (production, transport et distribution), architecture des réseaux de transport et distribution. Modélisation des éléments du réseau
Méthode de calcul des transits de puissance (Load-flow)
Modalité d'évaluation : Session 1 : EF écrit (70%) et CC TP (30%) - Session 2 : EF écrit ou oral (70%) et report CC
TP (30%).
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Objectifs :
Analyse des transferts thermiques dans les bâtiments et l’environnement. Applications aux transferts thermiques
dans les parois, les sols, les échangeurs…
Contenus :
Conduction : Régime permanent et variable. Solutions analytiques associées (Laplace, changement de variables, Green, superposition…), Solutions analogiques.
Analyse dimensionnelle : Théorème de Vaschy-Buckingham, nombres adimensionnels des transferts.
Convection : Analyse dimensionnelle et corrélations associées. Transferts de masse convectifs. Application aux échangeurs de chaleur
Rayonnement : Lois du rayonnement, rayonnement des corps noirs et réels. Radiosités et linéarisations.
Résolutions numériques : Régime permanent, variable. Différences finies. Méthodes de résolution associées.
Prérequis :
Eléments de thermodynamique et thermique en régime permanent : résistances conductives équivalentes aux parois.
Bibliographie :
• SACADURA J.F., Initiation aux transferts thermiques
• Traité de physique du bâtiment Volume 4 : thermique et aéraulique.
• HERNOT D., Thermique appliquée aux bâtiments, Porcher.
Le cours présente les grands principes, éprouvés ou émergents, sur lesquels les machines de production d'énergie renouvelable éolienne et marine sont conçus, avec un accent mis sur la modélisation en aérodynamique des rotors et sur la prédiction de l'énergie annuelle produite. Continuellement remis à jour, il aborde aussi l'actualité très fournie dans ces domaines.
Chapitres du cours :
Aérogénération : historique, développement actuel et principes de base
Eolienne standard : fonctionnement, rendement instantané et production annuelle
Energies marines : éolien off-shore, hydroliennes et dispositifs houlo-moteurs
Des études de cas et des dimensionnement sont proposés sous forme d'exercices de TD et d'une séance de TP numérique encadré.
Prérequis :
Cours de mécanique des fluides de niveau Master 1.
Bibliographie :
- HAU, E. (2006) Wind turbines, Fundamentals, technologies, application, economics, second edition, Springer.
- LE GOURIERES, D. (2008) Les éoliennes, Editions du Moulin Cadiou.
- Journal des Energies Renouvelables.
Aurélien Debelle, Maitre de conférences, Université Paris-Sud / CSNSM.
Déroulement et organisation pratique :
8 séances de 3h de cours-TD + TP.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
La création de matériaux aux propriétés avancées est indispensable pour améliorer les procédés actuels de production d’énergie mais aussi pour innover vers de nouveaux systèmes. Des fonctionnalités inédites sont explorées actuellement et exploitent les propriétés de la matière jusqu’à l'échelle nanométrique : films ultra-minces, précipités nanométriques, nanostructurations de surfaces, dopage atomique multiéléments, création de défauts cristallins et bien d’autres.
Dans ce contexte, la recherche fondamentale académique de pointe et la R&D menée par les industriels nécessitent la maîtrise d’outils puissants de manipulation, d'étude et de caractérisation des matériaux à différentes échelles et de nombreux outils sont basés sur l'interaction rayonnement-matière. Le cours concerne donc l'utilisation de ces rayonnements en science des matériaux, avec un accent mis sur les faisceaux d’ions et les rayons X.
Après la description des bases physiques des interactions particules-matière, des illustrations concernant des matériaux pour la production d’énergie seront faites, dans des domaines tels que le photovoltaïque, le nucléaire ou encore les batteries. En plus des cours classiques, des séances de TD sur ordinateur ainsi qu’un TP sur accélérateur de particules (sur la plateforme SCALP du laboratoire FLUO) seront proposés.
Prérequis :
Connaissances de niveau M1 en physique des solides et interactions rayonnements-matière.
Pierre Millet, Professeur, Paris-Sud
Yuwei Lu, Maitre de conférences, Université Paris-Sud.
Déroulement et organisation pratique :
8 séances de 3h (cours-TD).
TP sur 6 demi-journées.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
L'objectif est de passer de l'électrochimie générale au rôle de l’hydrogène dans la transition énergétique. On s'attachera à comprendre le principe de fonctionnement des batteries hydrogène/oxygène, avec la perspective de dimensionner des solutions de stockage de l’énergie.
1. Généralités sur la filière hydrogène et la transition énergétique
2. Fondements thermodynamiques et cinétiques
3. La batterie H2
4. Procédés de production d’hydrogène
5. Piles à combustibles
6. Autres technologies hydrogène – sécurité hydrogène
7. Procédés photoélectrochimiques
8. TD complémentaires et révisions
TP : mesure et analyse des performances d’une pile à combustible.
Prérequis :
•Cours introductif d’électrochimie générale.
•Eléments de génie électrochimique.
CM : 21H (7 séances de 3h)
TP 1: 3H (sur utilisation d’un logiciel de gisement solaire)
TP 2: 4H (sur mesure du productible PV en conditions réelles en extérieur).
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Vision d’ensemble de ce qui se fait sur l’énergie solaire photovoltaïque : du dispositif (physique de la cellule solaire et les différents matériaux/technologie utilisée) au système (dimensionnement et installation), en passant par le marché mondial.
Chap I - Introduction Générale : énergie solaire, conversion PV, marché photovoltaïque, histoire du PV
Chap II - Fonctionnement et principe PV : rappels sur notions physique des semi-conducteurs et de la jonction PN, puis physique de la cellule solaire
Chap III - Technologie PV : présentation des différentes filières (matériaux) du photovoltaïque (technologies Silicium, couches minces, multi-jonction) ainsi que les technologie émergentes et nouveaux concept
Chap IV – Système PV : de la cellule au module au système, dimensionnement et installation PV (2H).
Prérequis :
Solides connaissances en :
Physique du solide
Physique des semi-conducteurs
Physique des composants électroniques et optroniques
Alternativement, avoir suivi l'U.E « Electronique des Solides » de partie A.
Bibliographie :
- Physics of semiconductor devices, S. M. Sze
- Physique des semiconducteurs et des composants, H. Matthieu
- Optoélectronique, E. Rosencher
- The physics of solar cell, J. Nelson
- Physics of Solar Cells, P. Wurfel.
Système de production d'énergie décentralisée à base de source renouvelable
ECTS :
3
Détail du volume horaire :
Cours :27
Modalités d'organisation et de suivi :
Coordinateur :Monmasson Eric
Equipe pédagogique :
Eric Monmasson
Amir Arzandé
Emmanuel Hoang.
Déroulement et organisation pratique :
-Commande des convertisseurs connectés au réseau (topologie générale + contrôle des courants + synchronisation) : Enseignant Monmasson ; Cours 12h
-Association panneaux solaires et convertisseurs de puissance : Enseignant Arzandé ; Cours 3h
-Association éolienne et convertisseur de puissance : Enseignant Arzandé ; Cours 3h
-Insertion des énergies renouvelables au réseau : Enseignant Arzandé ; Cours 3h
-Convertisseurs de puissance dans les fermes éoliennes : Enseignant Hoang ; Cours 6h.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
L'objectif de ce module est de présenter sous l'angle électrique les deux principaux types de systèmes de génération d'énergie à base de sources renouvelables, à savoir l'éolien et le solaire photovoltaïque. Par ailleurs, une attention particulière est donnée au problème de raccordement de ces unités de génération à base de sources intermittentes au réseau électrique.
Contenus :
-Commande des convertisseurs connectés au réseau (topologie générale + contrôle des courants + synchronisation)
-Association panneaux solaires et convertisseurs de puissance
-Association éolienne et convertisseur de puissance
-Insertion des énergies renouvelables au réseau
-Convertisseurs de puissance dans les fermes éoliennes.
Les concepts de la mécanique des fluides et de la thermique sont appliqués dans un contexte de thermoaéraulique des bâtiments. Les principes et théories de base sont présentés. L'accent est mis sur les modélisations et les pratiques numériques utiles à la R&D. On s’intéresse à la modélisation des écoulements d’air dans les bâtiments, dans une perspective de modélisation des écoulements de ventilation naturelle, prédiction des écoulements dans des espaces spécifiques (atrium, entrées/sorties d’air, source de chaleur locale, etc ...) ou encore d’optimisation des systèmes passifs HVAC.
Chapitres du cours : ventilation naturelle, convection naturelle et effets non Boussinesq, écoulements internes, jets et panaches. Une application CFD (simulation numérique) est réalisée en fin de cours.
Prérequis :
- Mécanique des fluides : Couche limite laminaire et turbulente.
- Thermique : Conduction. Convection. Rayonnement.
- Simulation numérique : pratique de codes CFD.
Bibliographie :
- BEJAN, A. (2004) Convection heat transfer, Wiley.
- TAINE, J., IACONA, E., PETIT, J.P. (2008) Transferts thermiques, Dunod.
- AWBI, H.B. (2003) Ventilation of Buildings, Taylor & Francis.
Période(s) et lieu(x) d’enseignement :
Période(s) :
Décembre - Janvier - Février.
Lieu(x) :
ORSAY
Le semestre 2 correspond aux UE de professionnalisation, en premier lieu le stage, qui peut durer jusqu'à 6 mois.
Cycles de conférences d'intérêt sur les questions énergétiques, et visites de sites industriels ou de recherche
Transition énergétique, ressources et politique énergétique par Marie Dégremont
Bilan radiatif planétaire et réchauffement global par Jean-Louis Dufresne ou Jean-Yves Grandpeix
Ressources minérales pour la transition énergétique par Olivier Vidal
Analyse du cycle de vie des objets manufacturés et la transition par Emmanuelle Frenoux ou Anne-Laure Ligozat.
Prérequis :
Aucun.
Période(s) et lieu(x) d’enseignement :
Période(s) :
Septembre - Octobre - Novembre - Décembre - Janvier.
