Dynamiques couplées et optimisation énergétique

Description

 

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Les travaux de l’équipe DyCo, centrés sur la modélisation des processus force-flux couplés, a conduit à élaborer une modélisation générique des systèmes thermodynamiques en conditions de couplage variés, que l’on pourrait qualifier « entre Dirichlet et Neumann ». Ces travaux théoriques ont été publiés en 2016 dans Physical Review E (A1). Ils permettent d’appréhender une vaste catégorie de machines thermodynamiques, tout en incluant les signatures de contre-réaction qui sont centrales dans ces processus (Fig. 24).

Figure 24 : Illustration de la modélisation compacte des contre-réactions force-force et force-flux dans un système thermoélectrique

A ce stade nous avons donc établi les principaux outils et méthodes qui seront utilisés dans les travaux ultérieurs de l’équipe, à la fois pour ses travaux propres, mais surtout, pour les développements interdisciplinaires, pour lesquels il importe d’avoir des moyens d’études transposables. Parmi ces outils et méthodes on peut noter :

Département d’évaluation de la recherche
 Une généralisation de concept de conditions de flux ou de stock qui permet désormais de couvrir toute la plage comprise entre ces deux extrêmes. Ce point est équivalent à savoir qualifier un système en conditions aux limites mixtes.
 Une description quantifiée et qualifiée des processus de conversion de l’énergie et de la matière.
 Une définition complète de ce qu’est un système hors équilibre, dès lors que sont précisées les conditions aux limites exactes, donc mixtes.
 La mise en place des expressions analytiques qui définissent de manière univoque la relation de compromis qui existe entre « système adapté » et « système adaptable ».
 La définition claire d’une typologie des cibles optimales pour un système hors équilibre. (maximum de puissance, maximum de rendement, minimum de déchets…)

Il importe de rappeler que, par « système », nous entendons à la fois les dispositifs techniques et machines, mais au-delà, tout système hors équilibre, qu’il s’agisse d’un organisme vivant, d’une zone urbaine ou d’un processus économique. Il s’agit donc là d’un travail à la fois théorique et expérimental qui permet d’assoir les travaux actuels sur le socle solide d’un modèle à principe. Les principaux axes de développement de ces travaux sont :
 Economie : Développement d’un modèle macroéconomique basé sur les flux d’énergie et de matière (Fig. 25). Développé en collaboration avec l’Agence Française de Développement, ce modèle vise à prendre en compte certaines des catégories de la thermodynamique (intensivité, extensivité, quantités et qualités…), sans pour autant tomber dans le travers des analogies hasardeuses qui sont parfois faites entre économie et thermodynamique.

Figure 25 : Exemple de feuille ressource du modèle macroéconomique
DyCoE développé par l’équipe

 Biologie & Médecine: Collaboration avec le Muséum d’Histoire Naturelle (MNHN), l’Institut National du Sport, de l’Expertise et de la Performance (INSEP) et l’APHP, Hôpital Avicenne et Hôtel-Dieu. Ce projet concerne les cibles optimales thermodynamiques pour un organisme à l’effort (Fig. 26).

Figure 26 : Exemple d’application du modèle métabolique d’effort appliqué au cheval ; collaboration Muséum National d’Histoire Naturelle

Histoire des technologies : Développements en cours avec Mathieu Arnoux et Francesca Sanna (doctorante en histoire contemporaine, LIED). Il s’agit de considérer les optima d’un système de production industriel, sur la base des archives d’entreprise minières en Sardaigne au début du siècle dernier. Le recours à la modélisation physique permet de mettre en lumière une dynamique passée jusqu’ici inaperçue de construction des systèmes d’organisation scientifique du travail (dans ce cas une variante de la méthode Bedaux). Le travail s’étendra aussi au domaine de la modélisation prospective et rétrospective sur la base des données rassemblées dans le cadre du projet Charles Dupin (M. Arnoux et M. Lepetit).

 Agriculture et ressources : Développements en cours avec Petros Chatzimpiros. Il s’agit de proposer des outils de modélisation dérivés et adaptés aux cas du fonctionnement de structures agricoles.
Pour conclure, on peut rappeler que les deux principes de la thermodynamique au coeur de ces travaux, principe de conservation de l’énergie, et principe entropique, peuvent se décliner plus largement sous la forme : i/ Nous ne pouvons utiliser plus que le stock que nous possédons. ii/Selon les usages que nous faisons de ce stock, nous ferons peu ou prou.

Coordinateur

 

Christophe Goupil (PR)

Membres

 

Eric Herbert (MCF)

Frédéric Filaine (ASI)

Stanley Mabath Mahoua (apprenti ASI)

Chercheur associé

 

Yves D'Angelo

Collaborations

 

Nationales

Yann Apertet, Lycée Jacques Prévert, Pont-Audemer, France
François Bouteau, Université Paris 7
Yves d’Angelo, Université de Nice
Philippe Lecoeur, C2N, Université Paris 11
Vincent Bels, Muséum National d’Histoire Naturelle
Gaël Giraud, Agence Française de Développement.
Jean-Louis Pichard, SPEC, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay

Internationales

Giuliano Benenti, Center for Nonlinear and Complex Systems, Dipartimento di Scienza e Alta Tecnologia, Università degli Studi dell'Insubria, Como, Italy
Henni Ouerdane, Russian Quantum Center, 100 Novaya Street, Skolkovo, Moscow region 143025, Russian Federation
Adel About, Physical Science and Engineering Division, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Thuwal 23955-6900, Saudi Arabia
Professeur Rodrigo Patino, CINVESTAV Unidad Merida (Mexique)
Pr Xanthippi Zianni, Technological Educational Institution of Sterea Ellada, Psachna, GREECE
LIA Next-PV. (Jean-François Guillemoles, IRDEP) (http://www.liapv.rcast.u-tokyo.ac.jp/NextPV/Home.html)