Efficacité énergétique Efficacité énergétique Des solutions pour l’habitat de demain. François Gervais

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Efficacité énergétique Efficacité énergétique
Des solutions pour l’habitat de demain

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  • Le Centre Urbain asbl organise une conférence gratuite sur la législation PEB (Performance Energétique des Bâtiments) en Région bruxelloise le mardi 27 septembre 2011

    Plus d'infos sur notre site web: www.curbain.be/conferences.php.

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  • 1. Efficacité énergétique Des solutions pour l’habitat de demain Laboratoire d’électrodynamique des matériaux avancés LEMA UMR 6157 CNRS UFR Sciences & Techniques, Tours (France) 42 personnes 25 permanents dont 19 chercheurs 17 doctorants et post-doctorants (Brésil, Chine, Corée, Italie, Inde, Japon, Vietnam) francois.gervais@univ-tours.fr
  • 2. Plus de 90 % de la dépense d’énergie actuelle est due à la combustion de combustibles fossiles Nucléaire (énergie dont le combustible s’épuise…) et hydroélectrique (durable) ne font chacun que quelques pour cent de la production mondiale Couvrir tous les toits du monde de panneaux photovoltaïques ne couvrirait qu’un faible pourcentage de la consommation mondiale d’énergie… SOURCES D'ENERGIE ELECTRIQUES FOSSILES NUCLEAIRE HYDRAULIQUE AUTRES ENR La part des énergies 90,0% renouvelables à augmenté en 80,0% valeur absolue mais diminué en 70,0% valeur relative… 60,0% 50,0% 40,0% En parallèle au développement 30,0% des énergies renouvelables, il faut 20,0% économiser l’énergie. C’est un des 10,0% objectifs de l’Europe. 0,0% UNION Allemagne France NORD USA CANADA JAPON EUROPENNE AMERIQUE
  • 3. MEROT SODEX Micro-Macinazione France SA CNRT 2000 – CERTeM 2006 Power Microelectronics 1996 ® STMicroelectronics
  • 4. Energies nouvelles Conversion d’énergie Efficacité énergétique
  • 5. Soutenu par le FCE (Ministère de l’Industrie) SéSAME Sciences électriques et Systèmes Appliqués au Management de l’Energie pour l’Habitat du Futur Efficacité énergétique dans le bâtiment Meilleur confort des habitations Sécurité et santé des habitants
  • 6. CAPTHOM Capteur ISIS Action- RF neur RF, Micro Capteur ( IR, Source Autonome Nœud Nœud Bus… ) énergie Nœud CAPI KATIUM GEDELOC age ock ie St rg Ca éne d’ rre én fo er ur gi e Nœud Réseau EDF Di Me Pr stri sur ot bu e ces ec tio S our ies tio n rg n éne elles v Nœud Nou
  • 7. GREMI LCC Projet SéSAME LEMA LESI LMP LUSSI Gestion de Conversion de l’ Composants Commutation de l’ Capteurs LVR Pôle Capteurs Thèmes l’ Énergie Énergie Actifs/Passifs Énergie CRESITT Industrie A2E Technologies Services A2IE/AINELEC GEDELOC CARENE CAPTHOM Produits Agilicom CAPI ISIS Alombard INEL Composants Legrand Mecagis Sorec, STMicroelectronics Thermor Total projet 165 hommes.ans Vermon Wirecom Technologies
  • 8. CERTeM : plate-forme à laquelle sont adossés des programmes de recherches sur l’énergie Electro-ménager Industriel Télécommunications Informatique Grand Public Automobile 3 axes stratégiques Efficacité énergétique Énergies nouvelles Réduction des coûts Micro-sources d’énergie propres Développement durable Efficacité énergétique et conversion de puissance Intégration de systèmes électroniques
  • 9. Équipements et chercheurs dans la « salle blanche » du CERTeM sur le site STMicroelectronics Recherche « amont » et finalisée
  • 10. < 1 mm Exemple de problématique Electrode Les condensateurs occupent trop de place High κ < 1 µm dans les puces Buffer + electrode Silicon Miniaturisation nécessaire !
  • 11. Approche combinatoire des performances de condensateurs de couches déposées par ablation laser ANR/PNANO/NANOCOMBI électrode diélectrique Cent re Nat ional électrode de Rech erche Technolog iq ue Tours Microélectronique de Pu issance Bottom electrodes 40 x 40 µm Top electrodes 10 mm 100 x 100 µm 250 x 250 µm 10 mm
  • 12. Permittivité de matériaux Permittivité relative du vide (ou de l’air) : 1 Silice 3.8 Porcelaine 6 Alumine 9 Verre de Na 7.2 Titanate de baryum et strontium > 1000 Titanate de calcium et cuivre > 100 000
  • 13. Modèle IBLC (Internal Barrier Layer Capacitance) pour les céramiques CCTO Le modèle, calculé sur la base d’un réseau de condensateurs dans l’approximation cubique, suppose Des grains faiblement conducteurs (diamètre G) Des joints de grains isolants G (épaisseur t) t Constante diélectrique effective εeff = εgb G/t
  • 14. Permittivité des céramiques εeff = εgb G/t Résultats du CIRIMAT UMR 5085 CNRS Toulouse G G = 23 000 nm εgb= 47 t t = 2 nm εeff = 540 000
  • 15. Performances des Panneaux isolants sous vide Conductivité thermique des meilleurs isolants thermiques Polystyrène 40 W/m/K Air 25 PIV 3,5-5 en diffusant les photons par des tailles de particules comparables au longueurs d’onde dans l’infrarouge en supprimant la conductivité thermique de l’air (vide) en laissant les phonons se perdre dans un labyrinthe… Problème : sensibilité à l’humidité et dégradation rapide
  • 16. Applications actuelles et potentielles de la supraconductivité Aimants Champ magnétique de 7 à > 30 T SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) Détecteur de champ magnétique infime Electronique de haute fréquence Porte logique à plus de 100 GHz Détection infrarouge Antennes à faible bruit pour l’écoute du cosmos Transport de courant sans perte Générateurs, transformateurs, moteurs… Lévitation magnétique Conversion de puissance ? …
  • 17. La supraconductivité Résistance électrique nulle Expulsion du champ magnétique = diamagnétisme parfait (si l’épaisseur est suffisante, supérieure au micromètre)
  • 18. A propos de l’aimant… Lorsqu’au XVIéme siècle on dresse la liste des phénomènes mystérieux, entrant dans la catégorie des « merveilles », l’aimant est cité en premier. « On dit de l’aimant que placé sous l’oreiller d’une femme endormie, il la tire du lit si elle est adultère »…William Gilbert (1544-1603) De Magnete « L’aimant étant placé sous le chef d’une femme dormante, si elle est chaste, elle embrasse son mari d’amoureux et doux embrassement, mais si elle est adultère, elle sera, comme poussée de violente main, jetée hors du lit » Jean-Baptiste Porta 1680
  • 19. La supraconductivité H i Résistance électrique nulle Expulsion du champ magnétique = diamagnétisme parfait (si l’épaisseur est suffisante, supérieure au micromètre) Pas une propriété atomique ou moléculaire, mais celle d’un cristal Phénomène purement « quantique »
  • 20. Un électron accéléré sur une orbite circulaire émet un rayonnement synchrotron Toute particule chargée soumise à une accélération émet des ondes électromagnétiques donc est freinée… Cet effet est à la base des communications « sans fil », puisque les ondes sont émises par des électrons qui oscillent le long des antennes Or, dans un aimant supraconducteur, le champ magnétique reste constant au cours du temps donc les électrons ne sont pas freinés ! comme dans le mouvement des électrons autour du noyau de l’atome, phénomène quantique…
  • 21. La supraconductivité H i Résistance électrique nulle Expulsion du champ magnétique = diamagnétisme parfait (si l’épaisseur est suffisante, supérieure au micromètre) Pas une propriété atomique ou moléculaire, mais celle d’un cristal Phénomène purement « quantique » : « paires de Cooper » Les ions magnétiques sont des poisons pour la supra (pair breaking) spin de l’électron
  • 22. Les 3 gardiens de la supraconductivité La température doit rester inférieure à un seuil, la température « critique », car au dessus de la température critique, l’amplitude des vibrations atomiques casse les « paires de Cooper » La densité de courant doit rester inférieure à un seuil critique Le champ magnétique doit rester inférieur à un champ critique (> 30 T dans YBa2Cu3O7)
  • 23. Une histoire pavée de Prix Nobel 4,2 K (Hg) Onnes 1911 (Nobel 1913) Meissner 1933 Bardeen Cooper Schrieffer 1957 (1972) Giaver Josephson 1962 (1973) 23 K (Nb3Ge) 1973 34 K (La2CuO4 dopé Ba) Müller & Bednorz 1986 (1987) 92 K (YBa2Cu3O7) Chu & Wu 1987 125 K (Hg1223) 1993
  • 24. Théorie de Bardeen Cooper Schrieffer (BCS) Énergie de création et/ou de destruction des paires de Cooper (bosons) 2∆(0) ~ kBTC ~ hνphonon ~ (k/m)1/2 La théorie BCS prévoit « l’effet isotopique » vérifié dans les métaux et alliages supras Les paires de Cooper se comportent comme une onde et non plus comme des particules de matière comme les électrons
  • 25. Image of Preliminary Works for Applications HTS Power Cable SC Transformer < 20m & Low AC Loss > < Low AC Loss & Large current capacity > 断熱管 bushing 超電導シールド層 YBCO Tapes 絶縁層 Cryogenic Container 超電導導体 YBCO Tapes SC Coil SC Motor SC Fault Current Limiter Cryocooler < Rotating field coil > < S/N Transition Type Coil > < Cooling Technology > Current Lead Cooling Machine Compressor Cryogenic Container SC Coil
  • 26. Southwire/NKT/ORNL/AMSC/AEP HTS Cable Demonstration Courtesy Southwire Co.
  • 27. Status of Long Coated Conductors (Shioara may 2006) 300 250 91m 46m x210A x182A (SRL) 200 (SRL) 60,000Am 100m x159A NEDO mid goal (SRL) 200mx200A (2005) 50,000Am Ic(A) ) 150 40m x155A (SWCC) 40,000Am 100 2005.9 30,000Am 25mx100A(SRL) 92mx96A104mx97A 203m (Chubu) (IGC) x93A 20,000Am 50 (Chubu) IcxL =10,000Am 0 0 50 100 150 200 250 300 Length (m)
  • 28. Market of HTS transmission cables 50 HTS cable market in Japan [M$] substitution rate 45  year 40  2015 1%  2016 2% 35 New transmission line  2017 4%  2018 8% 30 Replace  2019 12% from a new generator 25  2020 17% 20 Replace a deteriorated Cable duct  2021 23%  2022 31% 15 cable with the HTS cable  2023 42%  2024 56%  2025 56% 10 5 New constraction New Construction 0 2018 2020 2019 2021 2022 2023 2024 2025 2015 2017 2010 2011 2012 2013 2014 2016 Triplex HTS cable 275kV CV Cable Year Tunnel
  • 29. LEMA : substitutions cationiques dans les oxydes à propriétés remarquables Titanates Ferroelectriques Permittivité colossale ( > 100,000) Condensateurs « high-K » intégrés au silicium Manganites Transitions de phase Ferromagnetique (métal)- paramagnetique (isolant ou SC) ou AFM-PM ou d’autres… Magnétorésistance géante Nickelates 2D Séparation de phase statique (ou dynamique) Electrode et/ou buffer d’épitaxie de condensateurs Cuprates 2D Supraconducteurs à haute température critique
  • 30. Magnétorésistance géante Electronique de spin (Albert Fert – médaille d’or du CNRS 2003 – Prix Nobel 2007)
  • 31. Amélioration des rendements lors de la conversion de puissance Panneau photovoltaïque (courant continu, basse tension) Onduleur -> réseau EDF alternatif 220 V Secteur 220 V alternatif Redresseur -> PC (basse tension, continu) Conversion d’énergie I I t t
  • 32. Bilan sur le silicium Lorsque l’effet transistor a été découvert sur le Germanium (John Bardeen) il y a près de 60 ans, pouvait-on imaginer la révolution technologique qui a suivi avec le Silicium ? électronique informatique NT information et communication (dont internet) photographie - cinéma solaire photovoltaïque -> révolution culturelle et sociétale Il a fallu 30 ans pour passer de la recherche Image des atomes de silicium au développement industriel dans l’exemple dans un « wafer », obtenue au LEMA par microscopie à effet tunnel du Silicium, matériau simple…
  • 33. « Il n'y a pas la plus petite indication que l'on puisse obtenir un jour de l'énergie nucléaire. Cela impliquerait de pouvoir désintégrer l'atome à volonté » Albert Einstein, 1932 « Je pense que la demande mondiale en ordinateurs n'excèdera pas 5 machines » Thomas Watson, fondateur d'IBM, 1943 « Le monde contient bien assez pour les besoins de chacun mais pas assez pour la cupidité de tous » Gandhi