Systèmes énergétiques
Les thématiques couvertes par la filière sont notamment les énergies renouvelables (électriques, gazières et thermiques), le stockage, l'efficacité énergétique et les réseaux énergétiques.
Les énergies marines renouvelables sont inclues dans le secteur "Industriels de la mer".
Instituts Carnot fortement impliqués
Exemples de partenariat avec des entreprises du secteur
Des chaudières décarbonent leurs combustions grâce à de l’hydrogène produit localement avec de l’eau et de l’électricité
Partenariat Carnot ISIFoR - BulaneLe Plug’In Hybrid dyomix® de Bulane est un électrolyseur compact fournissant de l’hydrogène avec un faible apport d’eau et électricité. Grâce à l’IMFT du Carnot ISIFoR cet hydrogène peut être introduit dans une chaudière à gaz pour une consommation plus verte.
Des chaudières décarbonent leurs combustions grâce à de l’hydrogène produit localement avec de l’eau et de l’électricité
L'innovation
Bulane est reconnu comme un précurseur en matière de production de combustible vert. Son système Dyomix® vendu à un millier d’exemplaires fournit une source de chaleur qui allie économie, sécurité et performance pour souder ou braser sans utiliser de l’acétylène. La clef de cette réussite est un électrolyseur miniaturisé mobile qui fournit hydrogène et oxygène à partir d’électricité et de quelques litres d’eau. L’entreprise a pensé utiliser sa technologie sur les chaudières au gaz fossiles (gaz naturel ou propane), l’hydrogène produit vient se mélanger au gaz ce qui permet un mix et ainsi de verdir les gaz fossiles.
L’IMFT (Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse) du Carnot ISIFoR et Bulane ont montré que l’on peut substituer au moins 20% du gaz naturel avec des brûleurs standards. En utilisant de l’électricité verte on peut ainsi décarboner en partie le chauffage au gaz. Et le couplage à un réseau électrique intelligent permettra de consommer l’électricité au moment opportun et de franchir un pas de plus vers la décarbonation du chauffage des bâtiments.
Le besoin
Bulane est une start-up lancée en 2009, passée maître dans la production d’hydrogène et oxygène en flux continu. Très dynamique, elle mène une politique d’innovation soutenue afin de renforcer l’attractivité de ses produits éthiques et poursuivre son développement à l’international.
Bulane entame une étape de diversification en étudiant l’adaptation de son système en mode « plug and play » sur des chaudières à gaz standard. Le chauffage des logements collectifs pourrait être ainsi décarboné en transformant des millions de chaudières gaz actuelles en instruments de la transition énergétique, sans avoir à changer l’équipement. La chaleur produite sur site par l’électrolyse source d’hydrogène sera aussi exploitée pour améliorer encore les rendements.
Pour mener à bien ce projet, il faut maitriser l’introduction d’hydrogène dans le brûleur de chaudière standard, savoir à quel niveau le taux d’hybridation (substitution du gaz naturel par l’hydrogène) peut être poussé tout en continuant à bénéficier des performances des chaudières existantes qui allient performances optimales fruit de R&D et production de masse à coût acceptable.
Le partenariat
L’IMFT, composante du Carnot ISIFoR, est spécialiste de la physique de la combustion et bénéficie d’équipements dédiés (caméras U.V., contrôleurs de bonne tenue thermique…) pour établir des diagnostics de combustion. Les travaux ont porté sur l’étude de faisabilité d’introduction d’un flux d’hydrogène dans des brûleurs courants de chaudières au gaz naturel. Il a tout d’abord fallu maîtriser le mélange des deux gaz (un très léger et l’autre lourd) aux propriétés de diffusion très différentes. L’homogénéité du mélange est essentielle pour éviter une combustion instable (phénomènes de flamme soufflée, de retour de flamme…) et l’émission de polluants liée à la présence de zones de très hautes températures générant des oxydes d’azote.
Cette faisabilité établie permet au partenariat d’aborder la phase de développement. Il faut gérer le couplage avec Dyomix® pour apporter l’hydrogène à bon escient, obtenir un fort taux d’hybridation tout en conservant un rendement optimal de la chaudière standard.
L’IMFT aura alors permis à Bulane d’ouvrir un nouveau marché et confirmer son statut de précurseur en relevant le défi de la transition énergétique par hybridation de gaz fossile. Plusieurs millions de chaudières au gaz (reliées ou non au « gaz de ville ») en Europe représentent une large cible.
R-CUE utilise la chaleur résiduelle d’un réseau de chaleur pour un dispositif de séchage du bois aux performances exceptionnelles.
Carnot MICA - R-CUER-CUE répond au besoin accru en bois de chauffage individuel en utilisant la chaleur fatale de son réseau de chauffage urbain. Conçus en partenariat avec l’institut Carnot MICA, les containers adaptés traversés par un flux d’air sèchent des bûches en quelques heures au lieu de deux ans.
R-CUE utilise la chaleur résiduelle d’un réseau de chaleur pour un dispositif de séchage du bois aux performances exceptionnelles.
L'innovation
Sur la ville de Saint-Louis, l’entreprise R-CUE (Réseaux de chaleur urbains de l’Est) a inauguré en 2013 une centrale de cogénération biomasse et un réseau de chaleur qui dessert l’équivalent de 3500 logements. Alimentée en déchets de bois local et en rafles de maïs, la centrale chauffe plus de 300 m3 d’eau qui circule dans les 12 km de tuyauterie du réseau. En récupérant l’énergie contenue dans les fumées grâce à un condenseur, un circuit d’eau à près de 50°C chauffe un courant d’air projeté dans des containers spécifiques contenant chacun 20 stères de bois en quartiers de 25 cm. Grâce à l’apport du Carnot MICA, l’opération de séchage est optimisée et le taux d’humidité en fin de processus confère à ce combustible un bon pouvoir calorifique tout en minimisant la pollution. L’entreprise améliore ainsi le bilan énergétique de la centrale et répond à une attente sociétale forte.
Le besoin
Depuis 2014 les centrales énergétiques doivent valoriser les sources de chaleur résiduelles. Créées en 2014, R-CUE et R-CUA se définissent comme des diffuseurs de chaleur « décarbonnée ». Les filiales de R-GDS et Primeo Energie (ex EBM) se sont rapidement imposées, avec R-CUA (Réseau de chaleur urbains d’Alsace), dans le domaine des réseaux de chaleur vertueux. En recherche de solution de valorisation de la chaleur fatale de la centrale de Saint-Louis, la PME s’est rapprochée du Carnot MICA. Dès les premiers échanges, émerge une opportunité de mettre en application les connaissances du laboratoire sur les matériaux au profit du marché du chauffage bois individuel. Il faut, en effet, répondre à une demande en hausse mais une coupe de bois nécessite un à deux ans de séchage pour passer d’une moyenne de 75% d’humidité à moins de 20% pour un pouvoir calorifique satisfaisant. R-CUE a laissé carte blanche au Carnot MICA pour satisfaire le besoin tout en augmentant son efficacité énergétique par la conception d’un dispositif simple d’utilisation et à fort impact local. Les deux partenaires avancent de concert dans la définition d’un système de séchage rapide de quartiers de bois exploitant la chaleur résiduelle du réseau. Le bilan est très satisfaisant pour l’entreprise qui a gagné 10% d’efficacité énergétique et a pu créer 10 emplois directs et indirects grâce à cette innovation verte. Depuis 2018, R-CUE exploite un second séchoir sur la commune de Sarre-Union qui sèche 10'000 stères de bois par an.
Le partenariat
L’Institut Carnot MICA met son expertise des matériaux fonctionnels, des surfaces, des interfaces et procédés associés, au service de secteurs d’activité aussi divers que le luxe, l’environnement, le sport, l’automobile, l’énergie… Les aménagements intérieurs du container permettant d’optimiser le séchage par circulation de l’air chaud pulsé à une extrémité ont été conçus grâce aux connaissances des matériaux et de leur transformation par les chercheurs. Leur maîtrise des interactions et du comportement d’un assemblage de matière divisé et hétérogène a permis d’établir un modèle pour connaître le temps de séchage après une simple mesure d’humidité à l’arrivée. La collaboration entre R-CUE et le Carnot MICA a permis à l’ONF (Office National des Forêts) d’améliorer la production de la filière par une meilleure gestion des rotations et donc de l’exploitation raisonnée des forêts.
Le succès de ce premier partenariat Carnot a été tel, que les deux entités poursuivent ensemble une stratégie d’innovation sur le long terme. L’autre filiale R-CUA va bénéficier notamment des travaux du Carnot sur un matériau capable de stocker la chaleur sur une longue période. Ce stockage avec de faibles pertes thermiques permettra une restitution en temps voulu, soit pour réduire la consommation de combustible soit pour répondre à une demande hors période de chauffe comme celle des piscines.
Avec Enogia, même les plus petits flux de chaleur peuvent produire de l’électricité propre
Partenariat Carnot IFPEN TE - EnogiaEn optimisant des machines à cycle organique de Rankine (ORC), Enogia et le Carnot IFPEN TE visent le secteur de la mobilité au-delà des usages industriels.
Avec Enogia, même les plus petits flux de chaleur peuvent produire de l’électricité propre
L'innovation
Enogia, PME marseillaise, utilise la technologie ORC (Organic Rankine Cycle) dans la production d’électricité à partir de chaleur. Le principe est un cycle thermodynamique de Rankine, dont l’illustration connue est la centrale à vapeur mais qui utilise ici un composé organique. Technique à fort potentiel dans le cadre des politiques énergétiques, l’ORC doit être écologique, économique et s’adresser au plus grand nombre pour avoir un impact réel. Accompagnée par le Carnot IFPEN Transports Energie, Enogia a déjà rendu le dispositif accessible techniquement et financièrement à diverses PMI. Aujourd’hui, la récupération d’un faible flux de chaleur pour produire de l’électricité est possible. Le liquide organique caloporteur étant sans impact négatif sur l’environnement, la micro-turbine ORC s’annonce comme un progrès notable pour l’amélioration des performances énergétiques et propres des moteurs de bateaux, poids-lourds et automobiles.
Le besoin
Enogia conçoit et fabrique des systèmes ORC stationnaires depuis 2012. L’entreprise a rapidement voulu les rendre accessibles à toutes tailles d’industries.
Un premier partenariat avec le Carnot aboutit à une gamme variant de 5 à 200 kW électriques. Le choix du fluide caloporteur, déterminant pour le projet, est réalisé grâce aux simulateurs et bancs d’essai conçus spécifiquement par ENOGIA et IFPEN Transports Energie.
Cette collaboration a parfaitement répondu à une attente du marché et s’est concrétisée par une évolution de l’effectif de la PME de 10 à plus de 35 salariés.
Convaincue de l’intérêt de cette technologie pour exploiter de faibles flux de chaleurs, l’entreprise vise désormais l’intégration dans les bateaux, trains et automobiles. Elle poursuit donc son partenariat avec le Carnot IFPEN Transports Energie pour l’aider à réaliser une première démonstration industrielle.
Le partenariat
Le Carnot IFPEN Transports Energie intervient depuis 2006 auprès d’opérateurs de toutes tailles au service des enjeux de la mobilité durable. Ses résultats en matière d’innovation, de transfert technologique et de collaboration avec l’industrie, lui valent d’être reconnu en tant qu’expert international. Le Carnot a d’abord mis à disposition d’Enogia ses capacités de calculs et ses moyens expérimentaux. Il s’est engagé, à ses côtés, dans la réalisation d’une micro-turbopompe adaptée à la puissance des véhicules automobile, répondant ainsi aux contraintes de compacité, de qualité environnementale et de production à moindre coût.
Plusieurs brevets déjà déposés, copropriété d’Enogia et d’IFPEN, témoignent d’une coopération fructueuse d’équipes aux intérêts communs. Par son implication, le Carnot participe au développement de la PME, désormais acteur de l’innovation sur un marché porteur.
FIXATOR vise le marché mondial des éoliennes avec une aide à la montée autonome, fiable et confortable.
Partenariat Carnot ARTS - FIXATORTrois ans de recherche dont deux avec le Carnot ARTS ont permis la mise au point de l’Exolift, qui réduit la pénibilité au travail pour les techniciens de maintenance.
FIXATOR vise le marché mondial des éoliennes avec une aide à la montée autonome, fiable et confortable.
L'innovation
L’ascension des échelles verticales de très grandes hauteurs comme celles des pylônes ou éoliennes nécessite un effort musculaire important. L’entreprise FIXATOR, spécialisée dans la fabrication de plateformes suspendues et de treuils pour le levage de matériel et de personnes, a fait le choix de tenir compte de la morphologie de l’opérateur. Ainsi, le poids du technicien est pris en compte et permet d’ajuster en permanence l’assistance à la vélocité du technicien. Allégé de 80 % de son poids, celui-ci gère sa montée ou sa descente selon ses besoins, sans fatigue et en meilleure condition de sécurité. Le dispositif transportable adhère à une sangle fixée à demeure sur les échelles. D’une autonomie de 8 à 10 allers-retours de 80 m, l’Exolift affiche un temps de montée et descente divisé par 3 et un effort physique divisé par 5.
Le besoin
Depuis 90 ans, FIXATOR est une entreprise qui conçoit des plateformes suspendues temporaires et permanentes et des treuils au sein de son site de production basé à Angers (49 – France). Les solutions de FIXATOR sont distribuées dans le monde entier grâce à un réseau de distributeurs. Dans sa dynamique d’innovation, ses équipes R&D ont souhaité répondre à un besoin croissant lié notamment à l’installation et la maintenance des éoliennes. Il fallait mettre au point un système qui ait toutes les chances de répondre à une demande au niveau international, plus croissante que celle du marché français. Dans ce contexte, il a fallu mettre au point un système d’assistance individuel performant, et dont l’intégration sur les installations est facilitée par de nouvelles technologies. Benéfice : autonomie, réduction de la pénibilité au travail, coût, productivité améliorée.
La mise au point accompagnée durant 2 ans par AMVALOR, filiale de l’Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers et entité de l’institut Carnot ARTS a abouti à l’Exolift.
Le partenariat
L’institut Carnot ARTS adresse les problématiques de conception, d’industrialisation et de fabrication de produits manufacturés pluri-technologiques complexes et innovants. Pour répondre aux attentes de FIXATOR, les chercheurs des Arts et Métiers ont œuvré pour optimiser le triptyque poids, puissance, coût et concevoir la chaine de mesure de commande de la vitesse de déplacement grâce à un axe dynamométrique et aux paramétrages électroniques du boitier de commande mis au point avec SEIA. Le soutien de l’institut associé aux ressources internes de FIXATOR a été décisif pour la mise sur le marché. Exolift est non seulement un produit technologique mais aussi un vecteur de qualité de vie au travail.
Exolift a reçu le Trophée Territoires Innovation Régional en 2014, avant même sa commercialisation en 2015.
Deux instituts Carnot collaborent à l'autonomie énergétique de volets roulants pour tous.
Partenariat instituts Carnot Energies du futur et Leti - BubendorffBubendorff commercialise des volets roulants qui peuvent fonctionner sans énergie d'appoint et même en exposition nord !
Deux instituts Carnot collaborent à l'autonomie énergétique de volets roulants pour tous.
L'innovation
Le modèle ID2 Autonome est un ensemble volet, batterie et télécommande particulièrement économe en consommation d'énergie 100% solaire. Pour garantir l'efficacité du dispositif y compris en cas de faible ensoleillement, il a fallu recenser et optimiser toutes les dépenses énergétiques (mode veille, échanges radio avec la télécommande, motorisation du volet, etc.). Le choix d'une batterie adaptée a été déterminant pour respecter l'engagement du constructeur français sur sa garantie de 7 ans. Les volets autonomes sont commercialisés depuis 2012 et contribuent à maintenir la société à sa position de numéro un français.
Le besoin
La PME familiale alsacienne Bubendorff est spécialisée depuis 1959 dans le volet roulant. En recherche permanente d'amélioration, le fabricant investit en recherche, maîtrise toute sa chaîne de production et apporte des solutions pour réduire l'empreinte écologique de chacun de ses clients. C'est à ce titre que l'entreprise a sollicité un partenariat avec le Liten - composante de l'Institut Carnot Energies du futur - afin de proposer des volets totalement autonomes en énergie solaire, utilisables aussi bien en neuf qu'en rénovation et efficaces quelle que soit l'exposition lumineuse. Ces exigences requièrent une forte optimisation du bilan énergétique du système.
Le partenariat
L'institut Carnot Energies du futur spécialisé sur les recherches en énergies, a déterminé quelles batteries hautes performances pouvaient répondre aux contraintes d'un cycle de charge/décharge optimisé. L'institut Carnot CEA LETI a réduit la consommation d'énergie avec des gains très importants, en particulier en divisant par 100 la consommation de la communication radio par rapport aux générations précédentes. Cette collaboration avec Bubendorff a permis la mise sur le marché d'une gamme complète de volets roulants durables dont l'efficacité en matière d'économie d'énergie est encore renforcée lorsqu'ils sont pilotés automatiquement en fonction du rapport ensoleillement/température.
