201 - Énergie

Avec la croissance de l’électrification des transports, une compréhension et une modélisation prédictive des risques d’incendie liés à la surchauffe des batteries sont essentielles pour assurer la sécurité des occupants. Les feux de batteries incluent la combustion de gaz chauds, turbulents et dont la composition évolutive est peu connue. La chaleur dégagée par de tels feux de batteries n’est pas suffisamment caractérisée pour le développement de modèles prédictifs, même pour des batteries standard de type Li-ion. Les mesures résolues temporelles précises sont difficiles à obtenir avec les méthodes traditionnelles, car le dégazage est court et violent. Nous avons donc développé un banc d’essai expérimental permettant la mesure précise de cette évolution temporelle, à l’aide d’une technique de calorimétrie avancée. Notre technique permet une captation de 10 Hz de la température des gaz confirmée par une captation vidéo et une caractérisation de ceux-ci avec un spectromètre de masse. Pour modéliser l'allumage, la composition du mélange doit être connue précisément afin de créer un brûleur avec les caractéristiques de la flamme standard du feu de batterie. Notre recherche porte sur la réalisation d'expériences de calorimétrie avancée caractérisant ce phénomène afin de créer un brûleur standard de flamme Li-ion. Cette avancée permettra la certification de la nouvelle génération de matériaux ignifuges, permettant ainsi un avancement sécuritaire de l'électrification des transports.

Afin d’augmenter considérablement l’énergie spécifique des batteries au lithium, l’utilisation d’anode en lithium métal est envisageable (3 860 mAh/g).

Par sa réactivité importante avec l’atmosphère de stockage des boîtes à gants, le lithium métal est recouvert d’une couche de passivation. Cependant, la nature chimique de cette couche de passivation est généralement ignorée.

Le lithium métal est considéré comme réactif vis-à-vis des électrolytes solides polymères (SPEs) communément utilisés dans les batteries lithium au "tout solide". La stabilité de la couche de passivation du lithium au contact des SPEs et de leurs additifs utilisés a été peu étudiée. Pourtant cela est bien inhérent aux phénomènes chimiques se produisant à l'interface anode-électrolyte.

Notre étude se concentre d’abord sur la caractérisation de la couche de passivation par photoélectrons X (XPS) du lithium métal après exposition à différents gaz. Ensuite, l’analyse Raman à l’interface lithium métal-SPE renseigne sur la réactivité préférentielle des phases de couche de passivation, envers un des composants du mélange d’électrolyte solide polymère POE:HNBR-LiTFSI. Enfin, la réactivité mentionnée est corrélée à la cinétique de transfert de charge à l’interface dans une batterie tout solide.

Dans un futur rapproché, une grande partie de notre énergie devra provenir de sources renouvelables intermittentes comme l'énergie éolienne ou solaire. Un défi : la période de leur production est désynchronisé avec celui de leur consommation, les journées de grande consommation n’étant pas nécessairement des journées de forte production. La météo en est la cause, les mêmes systèmes météorologiques qui déterminent s'il fait plus ou moins froid que d'habitude déterminant aussi s'il fait plus soleil ou plus venteux que d'habitude et où.

Le défi serait moins compliqué si, pour chaque ville, nous pouvions déterminer les endroits où produire une énergie renouvelable dont la période de production serait en moyenne mieux synchronisé avec celui de la consommation de cette ville. Une telle analyse fut faite avec 4 décennies de données météorologiques pour plusieurs villes nord-américaines. Alors que l’énergie solaire locale est généralement assez bien synchronisée avec la demande, ce n’est pas le cas de l’énergie éolienne qu’il faut généralement chercher beaucoup plus loin. Fait à noter, la production venant de la côte Nord a tendance à être beaucoup mieux synchronisée non seulement avec la demande du sud-ouest du Québec, mais aussi avec celle d'une grande partie du nord-est de l'Amérique en hiver. Cette meilleure synchronicité pourrait faciliter la transition vers les nouvelles énergies renouvelables dans le nord-est en rendant l'intermittence de ces énergies moins difficile à gérer.

Contrairement au cas gaussien, il n’est pas évident dans le cas des particules dures, même en dimension 1, d’exprimer le poids de Mayer et de Ree-Hoover de graphes à l’aide d’une formule faisant appel à certains paramètres classiques associés aux graphes. En effet, nous illustrons la complexité des interprétations combinatoires du poids de Mayer et du poids de Ree-Hoover en montrant que pour un graphe 2-connexe général, ces poids ne peuvent pas être exprimés comme fonctions faisant appel à seulement certaines sous-familles des invariants de graphes.

Plus précisément, à l’aide d’une recherche informatisée, faisant appel à 7 662 graphes 2-connexes ayant jusqu’à 8 sommets, toutes les sous-listes des invariants ont été examinées et on a seulement gardé celles qui sont maximales.

Nous donnons des cas explicites de graphes 2-connexes dont les poids de Mayer ou de Ree-Hoover sont différents, mais ayant pourtant le même ensemble d’invariants. Ce qui montre donc que les poids de Mayer et de Ree-Hoover ne sont pas fonctions de ces paramètres seulement.

Objectifs spécifiques :
Trouver de nouvelles propriétés des familles de graphes 2-connexes qui apparaissent dans la théorie de Mayer et de Ree-Hoover.

Objectifs généraux :
Développer des outils mathématiques essentiels pour résoudre des problèmes de nature combinatoire issus de la mécanique statistique. Le besoin de tels développements a été soulevé dans diverses rencontres internationales.

L’enjeu climatique actuel nécessite de réduire l’empreinte carbone de la consommation énergétique, en particulier en ce qui a trait aux bâtiments. Ces derniers représentent en effet 13 % des émissions de gaz à effet de serre (GES) au Canada, ce qui en fait la troisième source d’émission la plus importante. Il s’agit donc d’un secteur prioritaire pour atteindre la carboneutralité à l’horizon 2050 fixée par le gouvernement du Canada. Une piste de diminution des GES réside dans l’exploitation de l’énergie géothermique grâce aux puits à colonne permanente (PCP). 

Si la technologie a été éprouvée à différents endroits du globe, une question persiste sur leur installation au Québec à cause des roches calcaires pouvant être à l’origine du colmatage des systèmes. Pour éviter cet écueil, des essais de laboratoire peuvent être réalisés pour évaluer les cinétiques de réaction. Toutefois, les essais conventionnels utilisent une roche broyée et sont peu représentatifs de l’écoulement dans un PCP. Pour améliorer cette représentativité, une nouvelle approche a été développée au sein du Groupe de recherche en Géothermie et Hydrogéologie de Polytechnique Montréal. Reposant sur un écoulement autour d’une carotte de roche intacte, elle a été validée dans le cadre de la mise en œuvre de PCP pour un centre sportif à Montréal. Ce nouvel outil améliore les connaissances sur le fonctionnement des PCP en milieu carbonaté et constitue un premier pas vers la démocratisation de la technologie au Québec.

La constante augmentation de la demande en énergie et l'intérêt vis-à-vis de la décarbonisation de la génération d'électricité pour lutter contre les changements climatiques ont grandement favorisé le développement des énergies renouvelables, telles que les énergies éolienne et photovoltaïque.  Cependant, ces dernières amènent des changements majeurs au fonctionnement des réseaux électriques, ceux-ci n’ayant pas changé depuis près de cent ans. En effet, basées sur des convertisseurs à électronique de puissance (redresseur et onduleur), celles-ci vont contribuer aux courants de défauts lors d’un court-circuit de façons très différentes des centrales traditionnelles. Leur contribution nettement plus faible et non linéaire rend difficile la détection des défauts par les systèmes de protection.

Ainsi, une modélisation sur EMPT et une analyse transitoire des courants de défaut seront effectuées. Cette dernière créera des fichiers qui pourront être lus par les relais numériques de la même façon dont ils lisent les défauts réels sur les réseaux. L'objectif ici est d'étudier les réponses non conventionnelles de ces sources d'énergie dans l'optique d'identifier les limitations des relais numériques. Les résultats obtenus permettront par la suite la modification et l’adaptation des méthodes d’analyse actuelles des réseaux afin de les optimiser, ainsi que le développement de nouveaux outils. 

L'objectif de ce travail est d’étudier les performances d'une installation photovoltaïque (PV) raccordée au réseau dans une zone désertique (au sud de l’Algérie), afin d'optimiser la production instantanée et de maintenir les performances au fil du temps. Pour extraire les indicateurs de performances et étudier l'impact des facteurs climatiques (température, irradiation et vitesse de vent), les données issues du monitorage de deux années de la centrale solaire ont été utilisées. Afin d’analyser les performances d’un système solaire PV, les paramètres de performance ont été spécifiés par l’Agence internationale de l’énergie et sont décrits dans les normes standardisées CEI 61724. Ces paramètres sont le rendement de référence, le rendement du champ PV, le rendement final du système PV, le rapport de performance, les pertes du système et les pertes diverses. Ces paramètres sont utilisés pour définir les performances du système dans son ensemble par rapport à la production d'énergie, les ressources solaires et l'effet global des pertes du système photovoltaïque. Le système photovoltaïque étudié est connecté au réseau et produit (9MW). Le fonctionnement de notre système est hybride. Le rapport de performance de notre système est faible en été et élevé durant les mois de décembre, janvier et février. Les facteurs climatiques ont un impact plus important sur le rendement et l'efficacité des cellules solaires que sur le rendement des onduleurs.

L’intégration des énergies renouvelables dans nos bâtiments, typiquement avec des panneaux photovoltaïques (PV), est essentielle pour accélérer leur transition vers le net-zéro et réduire nos émissions de gaz à effet de serre (GES). Toutefois, seulement 20 % de l’énergie qui atteint les panneaux PV est convertie en électricité, alors que le reste est perdu en chaleur. Les capteurs hybrides photovoltaïques et thermiques (PV/T) permettent d’extraire la chaleur normalement relâchée par les cellules PV, augmentant leur efficacité en les refroidissant, et produisant une source de chaleur pouvant être utilisée pour les bâtiments. Ainsi, les capteurs PV/T peuvent significativement réduire la consommation d’énergie, les émissions de GES et améliorer la flexibilité énergétique des bâtiments. Cependant, il est difficile de prédire leur performance, car les modèles existants sont souvent peu précis ou excessivement complexes, limitant leur adoption.

Cette étude consiste dans le développement et dans la validation d’un modèle pour les capteurs PV/T mixtes, axé sur les données et la physique, afin de simplifier et augmenter la précision de la modélisation de ces énergies renouvelables. De cette façon, le modèle est calibré et validé en utilisant les données de tests expérimentaux à la fois dans un laboratoire solaire à grande échelle ainsi qu’avec un système de PV/T installé sur un bâtiment de recherche au Québec. Finalement, les résultats sont comparés à la performance des modèles typiques.