Le laboratoire IREENA

L'Institut de Recherche en Energie Electrique de Nantes Atlantique, basé sur le site de Saint-Nazaire, est constitué de 65 personnes dont 24 enseignants chercheurs, 2 chercheurs associés, 1 professeur émérite, 6 post-doctorants, 2 IATSS, 2 ingénieurs de recherche et 22 doctorants. Les permanents sont rattachés à Polytech Nantes, l'IUT de Saint-Nazaire, l'IUT de La Roche-sur-Yon, l'ICAM et l'ESEO Angers.

Nouvelle structuration du laboratoire depuis le 1er janvier 2022.
Nouvelle direction : Didier Trichet

L'IREENA mène des recherches amont à visées applicatives pouvant adresser des défis sociétaux comme la sûreté et la fiabilité des composants et des systèmes, l’efficacité énergétique pour un développement durable, les énergies renouvelables notamment marines ou encore l’industrie du futur. Les solutions proposées adoptent une démarche système appuyée par des approches de modélisation originales. Les champs d'application du laboratoire concernent essentiellement le transport (naval, aéronautique, automobile), la maîtrise des énergies durables (éolien offshore, hydrolien) et les Smartgrids (habitat, mix énergétique).

Le laboratoire est désormais structuré en 3 unités thématiques de recherche (UTR) :

• UTR 1 : Techniques inductives en milieux complexes
  Responsable : Gérard Berthiau (IUT de Saint-Nazaire)
  Co-animateur : Guillaume Wasselynck (IUT de Saint-Nazaire)

Cette UTR1 travaille à la réalisation d’outils d’aide aux développements de procédés électromagnétiques innovants, en particulier dans les milieux complexes, c’est-à-dire en présence de fortes hétérogénéités, anisotropie, facteurs d’échelle et avec prise en compte de l’ensemble de l’environnement dans lequel le procédé est utilisé.

Ces procédés électromagnétiques innovants s’attachent à l’amélioration de l’efficacité énergétique, à la fiabilisation des procédés et à l’essor de matériaux innovants, par exemple les matériaux composites durables haute performance ou ceux obtenus par fabrication additive et à point de Curie contrôlé.

Le développement de ces techniques inductives en milieux complexes passe par l’amélioration de la transmission de puissance électromagnétique dans des environnements spécifiques complexes tels que les machines électriques, les systèmes de chauffe par induction des composites ou encore, les câbles sous-marins, mais aussi par l’amélioration des méthodes de Contrôle Non Destructif (CND) par l’approche « Process Monitoring », qui consiste à intégrer la qualification CND dans les différentes étapes de fabrication. Pour répondre à ces problématiques, l’UTR 1 s’intéresse à l’identification des propriétés électriques et magnétiques de matériaux complexes avec les incertitudes associées, ainsi que leurs intégrations dans les modèles.

Les compétences reconnues de cette UTR sur l’interaction d’une onde électromagnétique avec des milieux complexes permettent aussi d’envisager l’émergence d’une nouvelle activité sur l’étude de l’interaction d’une onde électromagnétique avec le corps humain. 
 

• UTR 2 : Chaînes de conversion électromécaniques et statiques optimales et tolérantes aux défauts
  Responsable : Nicolas Bernard (IUT de Saint-Nazaire)
  Co-animateur : Mohamed Fouad Benkhoris (Polytech Nantes)

L’UTR2 travaille à la conception de chaînes de conversion d’énergie innovantes et à hautes performances en termes d’efficacité énergétique, de densité de puissance, de coût... Principalement axés sur la production d’énergie à partir des énergies renouvelables et sur le transport, ses travaux de recherche visent au développement de structures associant des convertisseurs d’énergie (machines électriques, PV, batteries, …) à leurs convertisseurs d’alimentation. Elle développe pour cela des outils pour leur conception optimale et/ou pour leur pilotage optimal. Ces recherches sont concrétisées et validées par la réalisation de bancs d’essais.

Parmi les actions menées, on citera la conception de machines électriques non conventionnelles à hautes fréquences de conversion (machines lentes à fort couple massique et machines rapides à fortes puissance volumique), la co-conception sur cycle des chaines de conversion (dimensionnement des machines électriques intégrant en même temps leur stratégie de pilotage et la maîtrise du transitoire thermique), le pilotage des systèmes en mode sein et/ou dégradé (observation des états du système et pilotage reconfigurable en fonction des points de fonctionnement) et la conception de dispositifs à fiabilité renforcée (commande tolérante aux défauts, analyse de stabilité, diagnostic par suivi en ligne et sur site des paramètres caractéristiques, détection de défauts).
 

• UTR 3 : Gestion des systèmes d'énergie électrique à forte intégration d'énergies renouvelables 
  Responsable : Salvy Bourguet (Polytech Nantes)
  Co-animateur : Azeddine Houari (IUT de Saint-Nazaire)

L’UTR 3 a pour objectif principal le développement de nouvelles solutions de production d’énergie électrique telles que les micro-réseaux, en relation directe avec la plupart des actions nationales et internationales et visant les domaines de la production d’énergie stationnaire et les applications embarquées. Le développement de ces modes de production décentralisés génère une problématique large et complexe, autour de considérations allant des problèmes de stabilité et de fiabilité des micro-réseaux, en partie liées à la forte intégration des ressources renouvelables, jusqu’à la gestion énergétique et les possibles modes de gouvernance de ces réseaux décentralisés, qui restent à inventer. Les travaux menés dans l’Unité Thématique de Recherche se structurent au travers de deux problématiques distinctes, à savoir celle de la maîtrise de l’énergie et la résilience des micro-réseaux, qui cherchera les problèmes de pilotage et de contrôle des microréseaux, pour en assurer notamment la fiabilité, et celle de la gestion des systèmes électriques complexes hétérogènes, qui cherchera principalement à proposer des approches méthodologiques aux problèmes de dimensionnement et de gestion optimale.

Quelques projets récemment démarrés ou en cours

• Projet Estuaire

Le projet ESTUAIRE, cofinancé par l'ADEME et la Région des Pays de la Loire, réuni le bureau d'études Akajoule, le grand port maritime de Nantes Saint-Nazaire, MAN Energy Solutions et Nantes Université de 2019 à 2022. Au sein de Nantes Université, les travaux ont été menés par des enseignants-chercheurs de l'IREENA (Jean-Christophe Olivier, François Auger, Anthony Roy) et du LTEN (Bruno Auvity). L'étude a porté sur le dimensionnement et la gestion d'énergie du réseau électrique d'une zone industrielle portuaire incluant des énergies renouvelables (photo-voltaïque), des énergies fatales (énergie électrique ou chaleur intermittente produite par une activité industrielle), du stockage batterie ou hydrogène et des industriels consommateurs d'énergie. La faisabilité et le mode de gouvernance d'une communauté industrielle d'autoconsommation collective a également été étudiée. Ce projet a été valorisé notamment par 6 publications de haut niveau dans des revues scientifiques ou des congrès internationaux.

A consulter sur le Magazine Business de Nantes Université 
Voir la vidéo de présentation 

• Projet More Electric Aircraft

Ce projet entre le laboratoire IREENA (Saint-Nazaire) et Safran Tech (Blagnac) s’inscrit dans le cadre de la thèse CIFRE de Christophe RAMALINGOM et porte sur l’étude des réseaux de bord dans le cadre de l’avion plus électrique(More Electric Aircraft). Les travaux se sont concentrés sur le développement d’un outil de modélisation et d’analyse de la stabilité et robustesse des systèmes multi-sources pour permettre d’assurer de nouveaux services réseaux et d’améliorer l’efficacité énergétique des turbines. Ce projet a abouti à la mise en place d’une plateforme expérimentale d’hybridation interne de la propulsion des avions, qui est la première de cette ampleur pour Safran Tech.


Banc expérimental multi-sources
 

• Projet Co-conception des génératrices électriques polyphasées à saturation magnétique forte pour application EMR

La production d’énergie électrique à partir des énergies renouvelables et le transport non carboné sont aujourd’hui deux applications emblématiques du génie électriques et de la conception des machines électriques associées à leur convertisseur d’alimentation. La technologie et la science des matériaux couplés aux outils de modélisation et d’optimisation permettent aujourd’hui de concevoir des chaines de conversion devant répondre à plusieurs critères (performances, masse, coûts, tolérance aux défauts…).

On recherche donc non seulement des fortes densités de puissance (ou de couple) avec des performances énergétiques élevées tout en intégrant des fonctionnalités supplémentaires comme la capacité à s’adapter à des profils de fonctionnement très cyclés, des fonctionnements en conditions extrêmes (forte saturation magnétique, températures élevées) et une capacité à fonctionner en mode dégradé (tolérance aux défauts).

Le dimensionnement des chaînes de conversion (machine + convertisseur) avec prise en compte de l’ensemble de ces critères constitue actuellement un axe de recherche fort où sont ciblés plusieurs verrous scientifiques que le laboratoire IREENA, fort de son expérience, souhaite lever.


Exemple de chaîne de conversion d’énergie pour hydrolienne

Il s’agit de formuler le problème du dimensionnement de la machine électrique avec son environnement (convertisseur d’alimentation, éventuel réducteur/multiplicateur de vitesse) et avec prise en compte de la stratégie d’alimentation selon les points de fonctionnement et la configuration des bobinages (par le jeu de leur couplage). In fine, ce travail devra permettre de définir la machine (géométrie et stratégie de pilotage) et son convertisseur d’alimentation (architecture et calibres courant-tension des semi-conducteurs) sur la base des critères suivants :

• Minimisation des masses et des coûts
• Maximisation de l’efficacité énergétique (rendement en énergie sur cycle)
• Capacité à maintenir une puissance ou un couple élevé en mode dégradé (pertes d’une ou plusieurs phases)

Pour leurs performances intrinsèques et leur capacité à fonctionner en mode dégradé, la machine électrique retenue sera la machine synchrone polyphasée à aimants permanents.

Parmi les contributions du travail qui pointeront les verrous scientifiques du moment, on citera :

• La co-conception sur cycle (optimisation couplée de la machine avec son convertisseur)
• La prise en compte de la stratégie d’alimentation dans la démarche de conception (gestion du défluxage)
• L’élaboration d’un modèle analytique de la machine en régime de saturation magnétique forte adapté à la démarche de dimensionnement

Ce travail participe à l’accroissement de l’expertise du laboratoire en dimensionnement de machines ainsi qu’en modélisation et optimisation de systèmes multiphysiques, applicables à de nombreux domaines tels que les énergies renouvelables, la propulsion de navires ou encore la motorisation des véhicules électriques.
 

• Projet IH4P2H : Induction Heating for Power to Heat

Le Power to Heat (P2H) consiste à stocker le surplus de production électrique sous forme de chaleur à hautes températures. Dans le projet pluridisciplinaire IH4P2H piloté par le LTEN, un consortium de 5 laboratoires (CEMHTI, CRISMAT, LTEN, IREENA et RAPSODEE) travaille sur l’intégration de système de conversion électricité/thermique par induction ou micro-onde.

L’IREENA a apporté au consortium ses compétences dans la modélisation de dispositif de chauffage par induction et dans la caractérisation des propriétés électriques des matériaux. Les matrices de matériaux conducteurs ont montré un grand potentiel vis-à-vis du P2H. Ces matériaux ont été caractérisés en fonction de leur densité et de leur température. Une porte-échantillon spécifique a été développer pour monter les températures jusqu’à 1000°C.

Un projet ANR en phase 2 a été déposé pour continuer ces travaux.


Figure : porte échantillon conçu et réalisé pendant le projet pour des mesures de conductivité électrique jusqu’à 1000°C.
 

• Projet Perform Point de curie 

Un matériau qui atteint sa température de Curie perd ses propriétés magnétiques, cette perte de propriétés rend ces matériaux moins sensibles aux champs magnétiques. Les métallurgistes sont capables de fabriquer des alliages avec des températures de Curie voulues. Cela ouvre l’opportunité d’un phénomène d’auto-régulation en température de moule chauffé par induction magnétique et ainsi avoir des profils de température maitrisés dans le moule.

Dans la thèse d’Hakim Oueslati financé par le programme Perform de l’IRT Jules Verne, la modélisation d’un tel dispositif est étudiée. Un enjeu majeur est d’être capable de prendre en compte la variation de propriétés magnétiques en fonction de la température et du champ magnétique avec des temps de simulations compatibles à une optimisation de procédé de moulage.


Figure : Densité de puissance induite pour différentes températures de matériaux

Les nouveaux Enseignants-Chercheurs du laboratoire

Depuis le 1er septembre 2022, le laboratoire IREENA compte deux nouveaux jeunes chercheurs

• Anthony Roy : Maître de Conférences, IUT de Saint-Nazaire, Département Génie Industriel et Maintenance, laboratoire IREENA, Unité Thématique de Recherche «Gestion des systèmes d'énergie électrique à forte intégration d'énergies renouvelables».
  
  
  Anthony Roy a obtenu son diplôme d’Ingénieur en Génie Électrique de l’école Polytechnique de l’Université de Nantes en 2016 et sa thèse de Doctorat en Génie Électrique de l’Université de Nantes en 2019. Depuis septembre 2022, il est Maître de Conférences en Génie Électrique à l’IUT de Saint-Nazaire (Département Génie Industriel et Maintenance). Ses activités de recherche, réalisées au laboratoire IREENA (Institut de Recherche en Énergie Électrique de Nantes Atlantique), concernent le dimensionnement et la gestion de l’énergie de micro-réseaux multi-énergies, étudiés notamment dans le cadre du projet ESTUAIRE (projet ADEME) entre 2020 et 2022.

 

• Abdelhakim Saïm : Maître de Conférences, Polytech’ Nantes, Département Génie Électrique, laboratoire IREENA, Unité Thématique de Recherche «Chaînes de conversion électromécaniques et statiques optimales et tolérantes aux défauts».

Abdelhakim Saim est né le 02 février 1990 à Batna, en Algérie. Il est titulaire d'une Licence et d'un Master en Électronique et en Automatique, obtenus à l'Université de Blida en 2010 et 2012, respectivement. Il a obtenu son Doctorat en Automatique en 2017 à l'Université de Tizi-Ouzou, Algérie. De 2017 à 2019, il a été Maître de Conférences en Automatique à l'USTHB d'Alger avant de rejoindre le Laboratoire IREENA de Nantes Université en qualité de Post-Doctorant dans le cadre du projet StorMS de 2019 à 2020 et, par la suite, en qualité d'Enseignant contractuel à Polytech Nantes. Depuis Septembre 2022, il est recruté à Polytech Nantes en qualité de Maître de Conférences au Département de Génie Électrique et exerce ses recherches au laboratoire IREENA. Ses recherches portent sur la commande des systèmes électriques et sur le traitement de problématiques de qualité de l'énergie et de stabilité des micro-réseaux. 

 

Par ailleurs, l’IREENA a accueilli 9 nouveaux doctorant(e)s à la rentrée 2022 : 

• Madame Raymonda DIAB : Charge rapide d'une batterie lithium-ion : stratégie de contrôle du courant de charge basée sur l'évaluation en ligne de l'état de chargeabilité de ses accumulateurs.
  Thèse CIFRE One Sixone en collaboration avec IMN,
  Directeur : F. Auger, Co-encadrants : E. Schaeffer, P. Poizot.
   
• Madame Haniyeh MAREFAT-JOUIKILEVAEE : Amélioration des performances et de la fiabilité des unités de génération d'hydrogène par électrolyse.
  Thèse CIFRE COMECA, Projet ELHySE, Chaire Régionale d'Application Pays de la Loire,
  Directeur : J-C. Olivier, Co-directeur : F. Auger.
   
• Madame Haje EBNOU : Optimisation multi-objectifs du dimensionnement d'un micro-réseau isolé alimenté par des sources énergétiques marines renouvelables.
  Thèse ITE France Energie Marine, Projet OPTILE,
  Directeur : S. Bourguet, Co-encadrants : A. Blavette, F. Dupriez-Robin.
   
• Madame Nouhaila BENABDELOUAHAB : Conversion et stockage de l'énergie du vent en haute mer.
  Thèse Farwind avec WEAMEC et LTEN, Projet Windstor,
  Directeur : S. Bourguet, Co-directeurs : J-C. Olivier, B. Auvity.
   
• Monsieur Yassine MASMOUDI : Prévision et gestion optimale de l'énergie électrique dans le secteur résidentiel avec intégration de sources renouvelables.
  Thèse MESR et LINEACT EA 7527,
  Directeur : P. Guérin, Co-directeur : M-F. Benkhoris.
   
• Madame Mouna OUKRID : Co-Conception sur cycle des machines à aimants à bobinage polyphasé reconfigurable pour les énergies marines renouvelables.
  Thèse MESR,
  Directeur : N. Bernard, Co-encadrants : L. Miégeville, I. Ihsane.
   
• Monsieur Yared Tadesse WENDIMAGEGNEHU : Gestion d'énergie et dimensionnement de stockage en présence de réseau de faible disponibilité.
  Bourse doctorale Ethiopie Campus France,
  Directeur : S. Bourguet, Co-directeur : J-C. Olivier.

• Monsieur Ahmad Eid EL IALI : Optimisation énergétique multicritère et temps-réel d'un véhicule électrique avec prise en compte de vieillissement des sources embarquées.
  Thèse ANR V3EA,
  Directeur : M. Machmoum, Co-directeur : M. Doumiati.
   
• Monsieur Cheikh ABDEL KADER : Stratégies de gestion optimale d'un micro-réseau intégrant des sources d'énergie renouvelables distribuées et du stockage.
  Thèse bourse Société PACOM Sarl (Mauritanie),
  Directeur : M. Aït-Ahmed, Co-directeur : A. Houari, Co-encadrante : N. Aït-Ahmed.