Thèse Fonte et Convection Thermique en Milieux Poreux Applications au Permafrost et aux Systèmes de Stockage d'Énergie H/F

Doctorat_Gouv

Le pergélisol, qui stocke d'importantes quantités de carbone, subit un dégel accéléré sous l'effet du réchauffement climatique. Si les modèles actuels reposent sur la conduction thermique, la convection dans la couche active pourrait jouer un rôle clé dans l'accélération de ce processus.

Cette thèse vise à étudier ces mécanismes par des approches expérimentales, numériques et théoriques, tout en explorant leurs applications au stockage d'énergie thermique via les matériaux à changement de phase.

Le pergélisol, ou permafrost, désigne un sol gelé en continu pendant au moins deux années
consécutives. Il couvre environ un quart des terres émergées de l'hémisphère nord et subit actuellement des transformations profondes sous l'effet du réchauffement climatique. Son dégel progressif constitue une menace environnementale majeure, car il pourrait libérer d'importantes quantités de gaz à effet de serre, le pergélisol renfermant environ deux fois plus de carbone que l'atmosphère actuelle [1]. La quantité de CO piégée est estimée à quatre fois celle émise par les activités humaines depuis le XIXe siècle, justifiant son appellation de « bombe à retardement » climatique.
Dans ces régions, une couche active dégèle chaque été avant de regeler en hiver. Ce cycle thermique est un facteur clé dans l'évolution du pergélisol et est généralement étudié à travers des modèles simplifiés, tandis que les observations directes restent rares et fragmentaires [2]. La plupart des modèles climatiques considèrent principalement la conduction thermique verticale [3-5], mais un facteur souvent sous-estimé pourrait accélérer le dégel : la convection thermique dans la couche active, en particulier lorsque celle-ci est perméable [6]. En effet, en raison des propriétés thermodynamiques de l'eau, la
convection peut se déclencher lorsque la température est comprise entre 0 °C et 4 °C, influençant significativement la dynamique du dégel.
L'objectif de cette thèse est d'étudier ces mécanismes de convection thermique et leur impact sur le dégel du pergélisol, via une approche combinant expériences en laboratoire, simulations numériques avancées et modélisations théoriques. Parallèlement, une meilleure compréhension de ces phénomènes pourrait ouvrir la voie à des solutions innovantes pour le stockage d'énergie thermique. En effet, les matériaux à changement de phase (MPC) offrent un moyen efficace de contrôler les transferts de chaleur, en exploitant les transitions solide-liquide pour stocker et restituer de l'énergie. En s'inspirant des mécanismes de convection naturelle dans les milieux poreux, cette recherche pourrait permettre d'optimiser le choix et l'agencement de ces matériaux pour une gestion thermique plus efficace dans les
systèmes énergétiques. Ce projet s'inscrit ainsi dans une double perspective : d'une part, il vise à améliorer la compréhension des processus de fonte du pergélisol et leur rôle dans l'accélération du changement climatique ; d'autre part, il ambitionne d'exploiter ces connaissances pour développer des solutions de stockage thermique innovantes basées sur un contrôle optimisé des transferts thermiques par des matériaux à changement de
phase.