Thèse Développement de Systèmes de Stockage d'Énergie Thermique Utilisant des Nanoémulsions à Base de Matériaux à Changement de Phase Pcm H/F

Doctorat_Gouv

Établissement : Centrale Lille Institut
École doctorale : Sciences de la Matière du Rayonnement et de l'Environnement
Laboratoire de recherche : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide
Direction de la thèse : Jesus Fermin ONTIVEROS ORCID 000000018188049X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-07-01T23:59:59

Le stockage d'énergie thermique constitue un levier essentiel pour accompagner la transition énergétique, notamment pour améliorer l'efficacité des systèmes alimentés par des sources renouvelables intermittentes. Il joue également un rôle clé dans le développement de solutions de refroidissement performantes pour des dispositifs électroniques de plus en plus compacts, caractérisés par des densités de dissipation thermique croissantes.. Parmi les solutions existantes, les matériaux à changement de phase en émulsion (Phase Change Materials, PCM) se distinguent par leur capacité à stocker et restituer de grandes quantités d'énergie sous forme de chaleur latente à
température quasi constante. Toutefois, leur intégration dans des systèmes dynamiques reste limitée par des verrous technologiques majeurs, tels que leur faible conductivité thermique, les phénomènes de surfusion, la dégradation chimique sous cycles thermiques répétés, ainsi que l'utilisation majoritaire de composants d'origine pétrochimique.
Ce projet de thèse vise à développer des nanoémulsions de PCM performantes, stables et durables, en s'appuyant sur une approche de formulation avancée intégrant des PCM d'origine renouvelable, des huiles biosourcées, et des stabilisants durables tels que les nanocelluloses et des tensioactifs biosourcés. La dispersion du PCM sous forme de gouttelettes nanométriques au sein d'une phase liquide permet d'augmenter fortement la surface d'échange thermique, d'améliorer le transfert de chaleur et de limiter les phénomènes de sédimentation ou de coalescence. À cette échelle, la formulation devient un paramètre clé pour contrôler à la fois les propriétés thermiques et la stabilité
physicochimique du système.
Les travaux porteront en particulier sur (i) la maîtrise de la taille et de la distribution des gouttelettes de PCM par des stratégies d'inversion de phase et de nanoémulsification, (ii) l'étude de la stabilité des nanoémulsions sous cycles thermiques répétés, (iii) la réduction de la surfusion et (iv) l'évaluation des propriétés thermophysiques pertinentes pour le stockage d'énergie (chaleur latente, conductivité thermique, comportement en régime dynamique). Une attention particulière sera portée à la substitution des constituants pétrochimiques par des alternatives biosourcées afin de réduire l'empreinte environnementale globale des formulations.

Les émulsions de matériaux à changement de phase (PCM) ont fait l'objet de nombreuses études au cours des dernières quinze ans, comme en témoignent plusieurs revues de référence détaillant les méthodes de fabrication et les propriétés thermophysiques (Delgado et al. 2012; Wang et al. 2019; L. Liu et al. 2022; Rashidi et al. 2023). Les travaux convergent vers plusieurs constats structurants. Les nanoémulsions, caractérisées par des diamètres de gouttes inférieurs à 200 nanomètres, présentent une meilleure stabilité colloïdal et une réponse thermique plus homogène en raison de la réduction des phénomènes de crémage et de ségrégation (Wang et al. 2019). Les méthodes à basse énergie, en particulier l'inversion de phase par température (Phase Inversion Temperature, PIT), permettent d'obtenir des systèmes fins à coût énergétique modéré (Wang et al. 2019; L. Liu et al. 2021). L'utilisation de mélanges de tensioactifs module l'élasticité interfaciale et permet d'ajuster la température d'inversion de phase. Malgré ces avancées, la surfusion demeure un verrou critique, en particulier dans les systèmes à base d'alcanes. ((Wang et al. 2019; Rashidi et al. 2023).
Parallèlement, les émulsions de Pickering stabilisées par particules solides constituent une alternative aux systèmes tensioactifs classiques, dont la plupart sont d'origine pétrochimique. Les nanocelluloses, nanofibres (CNF) et nanocristaux (CNC), ont récemment été explorées comme stabilisants biosourcés pour la microencapsulation de PCM.
Toutefois, ces approches restent majoritairement orientées vers la production de microcapsules solides destinées à l'incorporation dans des matrices composites (matériaux de construction, textiles, mousses polymères). Elles ne visent pas la conception de fluides caloporteurs en flux continue adaptés à un stockage thermique dynamique. De plus, dans la majorité des cas, la stabilité finale repose sur la formation d'une coque polymère pétrosourcée (mélamine-formaldéhyde, polyuréthane, polystyrène), la nanocellulose jouant principalement un rôle de stabilisant transitoire ou de renfort mécanique. La stabilisation interfaciale purement particulaire, sans encapsulation polymère externe, demeure peu explorée. Dans cette perspective, la synergie contrôlée entre tensioactifs et nanocelluloses apparaît comme une piste particulièrement prometteuse. Si les nanocelluloses confèrent une résistance élevée à la coalescence, la taille minimale des gouttes reste limitée par l'énergie mécanique d'émulsification (Jiménez Saelices and Capron 2018). L'ajout raisonné de tensioactifs permettrait de diminuer la tension interfaciale et d'accéder à des tailles de gouttes plus faibles à protocole d'agitation comparable.