ThermoHarv

L’essence du programme de coopération territoriale européenne Interreg France-Wallonie-Vlaanderen réside dans le développement de partenariats transfrontaliers visant à soutenir l’innovation industrielle et la croissance économique à travers à une meilleure cohésion sociale et territoriale.

Dans le cadre du projet ThermoHarv, l’impact le plus significatif concernera le bassin industriel de la zone FWVL et plus particulièrement les acteurs du secteur du bâtiment et de la construction en général. Le CD2E (Centre de Déploiement de l’éco-transition dans les entreprises et les territoires) a rejoint le consortium avec pour mission l’optimisation de la communication entre les opérateurs du projet et le milieu industriel afin d’assurer la transposabilité du projet vers les entreprises de la zone FWVL. En tant que centre de ressources régional, il établira le lien avec les entreprises de la construction, les fabricants de matériaux, les acteurs publics, les architectes… POM Flandre Occidentale et Greenwin sont associés au projet afin d’élargir la diffusion des avancés techniques et de cibler une plus large communauté (acteurs du bâtiment, de la plasturgie et de l’impression 3D, des dispositifs électroniques et de la formulation).

Prérequis : Informer les entreprises du secteur du bâtiment

Dans un premier temps, le CD2E aura pour mission de familiariser les acteurs du secteur du bâtiment avec les concepts et la technologie mise en place dans le projet. Cette étape sera réalisée grâce à la diffusion de documents informatifs via le site internet du projet et différents réseaux sociaux mais aussi grâce à la présentation du projet dans des évènements de type forums, salons ou ateliers.

Stratégie : Formation d’un comité de pilotage industriel

	Suite à cette étape, au cours de laquelle un groupe d’entreprises ou d’acteurs du secteur du bâtiment sera identifié pour leur intérêt et leur implication dans le domaine, une discussion sera initiée afin de mettre en évidence les attentes et les contraintes réelles. Ainsi, un groupe de travail sera créé pour favoriser les échanges tout au long du projet et insuffler une dynamique positive et coopérative qui permettra de répondre au mieux aux enjeux pratiques de ThermoHarv.
	Le rôle de ce groupe de travail consistera dans un premier temps à établir les cas d’études (besoins spécifiques, données de puissance et de tension ciblées, contraintes mécaniques, contraintes dimensionnelles et géométriques…) qui permettront de rédiger un guide technique et technologique ou cahier des charges pour améliorer le prototype de 1ère génération.
	Les échanges avec le groupe de travail industriel se feront notamment à travers des réunions semestrielles sous forme d’ateliers présentant les avancées, les points de blocage et les éventuels prototypes. Les suggestions et commentaires de ce comité de pilotage permettront de formaliser la coopération avec le secteur industriel, de garder un contact réel avec ses acteurs et de rester au fait de l’évolution des enjeux du secteur.
	Toujours dans l’idée de dynamiser les échanges avec le milieu industriel, le comité de pilotage sera invité à visiter les infrastructures de nos différents opérateurs. Ils pourront ainsi découvrir nos travaux en R&D ou encore le bâtiment instrumenté du CD2E.

L’objectif du projet ThermoHarv est le développement de micro-générateurs électriques en exploitant la thermo- et la pyro-électricité comme outils de transformation de la chaleur fatale en énergie électrique. Ces techniques de récupération énergétique seront appliquées dans le bâtiment du futur qui se veut de plus en plus respectueux de l’environnement et donc de l’économie d’énergie. Pour obtenir un matériau thermo- ou pyro- électrique, une matrice polymère souple sera associée à des charges thermo- ou pyro-électriques pour former un matériau composite électro-actif.

Les matrices utilisées dans ce projet, seront donc des matériaux classiques de la construction. Ils doivent aussi être bon marchés, résistants à la chaleur utilisée, faciles à mettre en œuvre et en forme et posséder une bonne résistance dans le temps. L’un des matériaux sélectionnés pour ce projet est le polyuréthane thermoplastique (TPU) communément utilisé dans le bâtiment (propriétés isolantes, respirantes, imperméabilisantes…). Ce polymère présente une alternance de segment mou et dur au sein de sa structure qui lui confère de bonnes propriétés telles que la légèreté, la résistance (aux chocs, aux frottements et à la chaleur), la flexibilité, l’élasticité… Il est un candidat intéressant pour récupérer la chaleur fatale des tuyaux de chauffage par exemple. Un autre matériau présente un fort intérêt pour notre projet, c’est le polyamide qui est notamment utilisé comme matériau isolant ou dans des textiles type rideaux. En effet, un autre poste important de perte de chaleur du bâtiment réside dans la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur. Le polyamide pourra donc être une matrice de choix pour des applications textiles sur de larges surfaces.

Les charges dites actives seront quant à elles différente selon l’application ciblée. La principale charge pyro-électrique utilisée dans ce projet est un composé inorganique connu pour ses bonnes propriétés pyro-électriques, le Titanate de Baryum (BaTiO₃). Ce composé, est une céramique aussi connue pour ses propriétés piézoélectriques. Concernant la thermo-électricité, ce projet ciblera des charges organiques et notamment des dérivés de nanotubes de carbones. Pour réaliser un composite thermo-électrique, deux types de charges doivent être utilisées, un composé de type p et un de type n qui vont respectivement conduire des charges positives et négatives dans le matériau.

Le projet ThermoHarv vise à développer des dispositifs permettant de convertir un gradient thermique spatial ou temporel en énergie électrique de faible intensité. Ces appareils ont pour finalité d’être utilisés dans le bâtiment du futur pour produire de l’énergie électrique à partir d’énergie dite perdue et ainsi alimenter de petits dispositifs peu gourmands en énergie type IoT. Les performances des micro générateurs dépendent non seulement des matériaux utilisés mais aussi de leur design et donc des procédés employés. Les techniques et les procédés utilisés dans le cadre du projet seront adaptés ou adaptables au secteur industriel. Différentes voies seront explorées pour la mise en œuvre et mise en forme des matériaux selon les procédés industriels de la plasturgie (injection, extrusion, thermocompression et/ou fabrication additive).

Ainsi, des composites à base de matrice polymère et de charges électro actives seront réalisés soit par voie fondue type extrusion pour les dispositifs pyroélectriques à base de BatiO₃ par exemple, soit par voie solvant pour les dispositifs thermoélectriques chargés en nanotubes de carbone. Pour ces derniers, une voie originale est envisagée consistant à déposer de l’encre électro-active à la surface d’une matrice polymère souple via des technologies de dépôt direct d’encre Direct Ink Writting (DIW).

Pour convertir au maximum les gradients de température en électricité, il est indispensable que le matériau utilisé présente une faible conductivité thermique. De nos jours, il existe peu d’études établissant des relations robustes entre la nature du matériau, ses propriétés thermiques et ses propriétés structurales. Il serait de plus trop simple de considérer que tout ce qui est à base de carbone possède une faible conductivité thermique : ainsi, le diamant est un excellent conducteur thermique à l’inverse de nombreux polymères hydrocarbonés. Dans ce contexte, Thermoharv utilisera des outils de modélisation théorique basés sur des méthodes de dynamique moléculaire pour simuler le transport de chaleur au sein de matrices polymères et aux interfaces avec les charges conductrices pour : (i) comprendre la nature des paramètres clefs gouvernant le transport de chaleur et (ii) guider le choix des matériaux utilisés au sein des dispositifs. Dans les matériaux organiques, ce sont les vibrations de très basse fréquence qui assurent le transport de chaleur, justifiant ainsi le choix d’une approche théorique classique. Nos calculs viseront donc à comprendre en particulier comment la propagation de chaleur via ces vibrations est influencée par la nature chimique des chaînes, leur taille, et la morphologie du film.

Lors du développement de produits, il est important de réfléchir dès la phase de conception aux manières dont le produit pourra être démonté et recyclé. Cette étape est particulièrement difficile pour les matériaux complexes, tels que les couches laminées. Dans le cas de produits avec des composants électroniques intégrés, le principe de Design2Recycle en est encore à ses débuts. C’est pourquoi ThermoHarv accordera une attention particulière à ces aspects.

L’approche suivra les principes de « réutilisation, réduction, recyclage » (reuse, reduce, recycle). ThermoHarv vise à concevoir dans un premier temps des modules réutilisables. Nous souhaitons développer des méthodes permettant de repositionner les modules de récupération d’énergie dans d’autres produits. Lorsque cela n’est pas possible, l’accent sera mis sur la recyclabilité complète des matériaux utilisés.

Pour les composants électroniques, il est essentiel de prêter attention aux matériaux spécifiques utilisés, tels que les particules métalliques, les additifs fonctionnels ou la séparation des différents polymères. La complexité des produits développés par ThermoHarv—combinant des composants textiles, de nouveaux liants écologiques (comme le NiPU), des composants électroniques et des laminés—fait de ce projet une excellente opportunité pour démontrer toutes les possibilités d’une approche Design2Recycle.