Doctorat « Développement et Calibration en Condition Cryogénique d'Un Capteur H2 Ortho-Para Basé sur la Conductivité Thermique et Développement de Modèles Prédictifs de Connaissances et Comporteme H/F Direction générale de l'Institut Mines-Télécom

Ce que nous attendons de vous

En tant que doctorant, vous êtes au coeur de nos missions de recherche et innovation et, dans une moindre mesure de nos missions d'enseignement. Vous serez affecté au centre SPIN - LGF (Laboratoire Georges Friedel, UMR CNRS 5307). Au sein de ce centre, vous conjuguez passion scientifique et impact sociétal.

Le centre SPIN (Science des Procédés Industriels et Naturels), qui sera fortement impliqué dans la thèse, développe, au sein de Mines Saint-Etienne, son expertise dans le domaine du Génie des Procédés appliqué aux systèmes dispersés : grains, particules, gouttes, bulles, milieux poreux. Il possède également des compétences en développement de capteurs et d'instrumentation.

Le doctorat se fera en collaboration avec l'Institut NEEL (Grenoble) où des déplacements seront effectués régulièrement sur la 2ème partie de la thèse. L'Institut Néel est un laboratoire de recherche en physique de la matière condensée situé à Grenoble. Il s'agit d'une unité propre de recherche du CNRS (UPR 2940) créée en 2007 avec des thématiques de recherche autour du magnétisme, de la photonique, de l'électronique quantique, des fluides quantiques et de la supraconductivité. L'institut possède notamment des compétences autour de la cryogénie et la cadre technique pour la réalisation de tests de mesure d'hydrogène en condition cryogénique.

La société ALFA LAVAL experte de renommée mondiale dans la conception, la fabrication, l'installation et la maintenance d'échangeurs de chaleur brasés, de boîtes froides, d'échangeurs de type « core-in-drums » et de pompes cryogéniques Cryomec® sera également impliquée dans le projet. Elle apportera, notamment, son expertise dans le domaine de la cryogénie et permettra le test des capteurs dans des installations industrielle.

Contexte : L'hydrogène liquide est caractérisé par plusieurs limitations et défis importants qui restreignent son utilisation actuelle. L'un d'entre eux réside dans la perte énergétique par ébullition cryogénique associée au stockage, au transport et à la manipulation de l'hydrogène liquide, qui peut consommer jusqu'à 40 % de l'énergie de combustion disponible. L'hydrogène moléculaire existe sous deux formes allotropiques (isomères de spin), l'ortho-hydrogène et le para-hydrogène, différenciées par l'état du spin nucléaire des protons dans chaque atome d'hydrogène. Pour une température donnée, le rapport d'équilibre entre les concentrations d'ortho-hydrogène et de para-hydrogène : [, ] et [, ] peut être calculée, mais la cinétique de la conversion exothermique peut prendre des semaines lorsque la température est rapidement abaissée. C'est pourquoi il est important pour le secteur industriel de l'hydrogène de disposer d'une méthode fiable de mesure in situ de cette concentration.

Tâches :

· Les tests seront réalisés dans un premier temps dans des conditions non cryogéniques et avec des mélanges gazeux binaires plus simples à mettre en oeuvre. A partir d'un banc gaz permettant la génération de mélanges binaires (O2/N2 ou CO2/N2), une solution de mesure basé la mesure indirecte de la conductivité thermique de ce mélange gazeux binaire permettra, après étalonnage puis établissement d'un modèle de connaissance ou de comportement, de prédire la composition du mélange.

· Ces derniers modèles analytiques serviront à l'extraction des paramètres qui permettront un étalonnage pertinent et seront codés sur Pythons :

o Le modèle de connaissance sera basé sur les équations de la mécanique des fluides et des transferts thermiques

o Le modèle de comportement sera basé sur les méthodes d'identification de systèmes de l'automatique

· La solution de mesure est basée sur un actionneur (micro-chauffage) et un capteur (de type RTD) fabriqués, notamment, par association de sérigraphie et gravure laser. Dans la version finale de la solution de mesure, ces 2 éléments sont fixés sur un support céramique dont on voudra évaluer l'influence sur la mesure. Pour cela, les tests sur banc gaz seront effectués avec et sans support céramique.

· Par ailleurs, la conductivité thermique étant un paramètre qui dépend de la température et, afin de se rapprocher de conditions de tests cryogéniques, les mesures seront également effectuées à différentes température (Tamb jusqu'à -80°C)

· Dans un cryostat qui sera réalisé à l'institut NEEL, et, après des phases d'étalonnage, de modélisation, et d'évaluation d'incertitudes, des tests de prédiction de ratio ortho/para (o/p) d'une solution d'H2 liquide seront réalisés :

o Test sur une composition normale d'H2 o/p à Tamb

o Test sur des ratio o/p quelconques entre 0 et 75 %

· Ces tests seront comparés avec les résultats de référence obtenus avec un analyseur de type RAMAN, ce qui permettra de confirmer l'absence d'erreur systématique dans les ratios prédits

· La solution de mesure ainsi développée comprenant l'actionneur, le capteur avec le support et les algorithmes de prédiction seront enfin déployés, en condition industrielle, sur un site de stockage cryogénique d'H2.