PHY563 - Sciences des Matériaux pour l'Energie

Ce module est l'occasion de mettre en relation des connaissances scientifiques et techniques pour l'analyse de systèmes énergétiques, qu'ils concernent la conversion, le stockage ou l'utilisation rationnelle de l'énergie, autour de la thématique matériaux. Les problématiques liées aux énergies nouvelles renouvelables, au stockage de l’énergie et à son utilisation efficiente seront plus particulièrement approfondis.

L'enseignement est composé de cours magistraux, de petites classes en demi-groupes et d’un projet en binôme/trinôme. Les cours couvrent les différents aspects théoriques et applicatifs du module. Les PC peuvent être des sessions d’exercices avec groupes de niveaux, ou des lectures/visionnages guidées d’articles ou présentations scientifiques sur des questions associant problématiques énergétique et sciences de la matière. Enfin, chaque étudiant travaille sur une question/problème « Matériaux » lié à la conversion, le stockage ou l’utilisation de l’énergie. Durant ce projet, suivi par les enseignants via des entretiens réguliers, les étudiants sont invités à approfondir leur intérêt pour la thématique à travers des recherches bibliographiques et des rencontres avec des professionnels du milieu de l’énergie (chercheurs, entrepreneurs, grands groupes).

L'enseignement sera l'occasion de donner des bases dans des domaines tels que la thermodynamique hors équilibre, l'électrochimie, la liaison chimique, les interfaces, la catalyse, les phénomènes de transport, la caractérisation des matériaux… en privilégiant une présentation opérationnelle et en montrant l'identité de nombreux concepts apparus dans des contextes différents, en chimie et en physique notamment. Seront abordés à la fois les problèmes relatifs à la génération d'énergie (Energies solaires photovoltaïque et thermodynamique, thermoélectricité, fuels solaires et valorisation du CO2, biomasse, éolienne, marine,…) ainsi que ceux relatifs à sa gestion : stockage et transport (Vecteur Hydrogène, Batteries, Supercapacités, Piles à combustibles, catalyse, transport d'électricité …) ou à sa bonne utilisation (utilisation rationnelle, économies d'énergie, analyse du cycle de vie, stabilité et dégradation des matériaux…).

Prérequis : des bases en thermodynamique et thermochimie, et des notions de mécanique quantique et statistique seront utiles. Voir par exemple le « Physics refresher’s course » proposé par D. Suchet.

Modalités d'évaluation : La note finale est composée pour moitié d’une évaluation du rapport écrit, pour l’autre moitié d’un examen oral. Durant ce dernier, une discussion d‘une dizaine de minutes sur le projet a lieu et l’examen se conclut par deux questions de cours.

Langue du cours :
Anglais

Crédits ECTS : 5




PHY563 - Material Science for Energy Conversion and Storage

A – Summary
This module is an opportunity to link scientific and technical knowledge for the analysis of energy systems, whether it concerns the conversion, storage or rational use of energy, related to material challenges. The problems related to new renewable energies, energy storage and efficient use of energy will be particularly studied.

PHY563 is composed of lectures, tutorial sessions in half-groups and project in pairs/threes. The lectures cover the various theoretical and application aspects. The tutorial sessions can be exercise sessions with level groups, or guided readings/viewings of scientific papers or presentations on issues combining energy and material sciences. Finally, each student works on a "Materials" question/problem related to energy conversion, storage or use. During this project, which is monitored by the teachers through regular meetings, the students are invited to deepen their interest in the topic through bibliographic research and meetings with professionals in the energy field (researchers, entrepreneurs, companies).

PHY563 will be an opportunity to provide basic knowledge in areas such as non-equilibrium thermodynamics, electrochemistry, chemical bonding, interfaces, catalysis, transport phenomena, characterization of materials, etc., with an emphasis on an operational presentation and showing how same concepts appear in different contexts, particularly in chemistry and physics. Problems related to energy generation (photovoltaic and thermodynamic solar energy, thermoelectricity, solar fuels and CO2 recovery, biomass, wind, marine...) as well as those related to its management: storage and transport (Hydrogen Vector, Batteries, Supercapacitors, Fuel Cells, catalysis, electricity transport...) or to its proper use (rational use, energy savings, life cycle analysis, stability and degradation of materials...) will be addressed.

Prerequisites: basic knowledge of thermodynamics and thermochemistry, and notions of quantum and statistical mechanics will be useful. See for example the " Physics refresher's course " proposed by D. Suchet.

Evaluation : The final grade is composed for half of an evaluation of the written report, for the other half of an oral exam. During the latter, a ten-minute discussion on the project takes place and the exam concludes with two questions from the course.

Language : English

ECTS credits : 5


B - Useful reading

[1–11]

[1]       C. Kittel, P. McEuen, P. McEuen, Introduction to Solid State Physics, Wiley New York, 1996.

[2]       D. MacKay, Sustainable Energy-without the Hot Air, UIT Cambridge, 2008.

[3]       M. F. Ashby, D. R. Jones, Engineering Materials 1: An Introduction to Properties, Applications and Design, Elsevier, 2012.

[4]       D. R. Jones, M. F. Ashby, Engineering Materials 2: An Introduction to Microstructures and Processing, Butterworth-Heinemann, 2012.

[5]       D. S. Ginley, D. Cahen, Fundamentals of Materials for Energy and Environmental Sustainability, Cambridge University Press, 2011.

[6]       J. Bockris, Electrochemistry for Ecologists, Springer Science & Business Media, 2012.

[7]       R. Huggins, Advanced Batteries: Materials Science Aspects, Springer Science & Business Media, 2008.

[8]       R. A. Huggins, Energy Storage, Springer, 2010.

[9]       G. Rothenberg, Catalysis: Concepts and Green Applications, John Wiley & Sons, 2017.

[10]     M. F. Ashby, Materials and Sustainable Development, Butterworth-Heinemann, 2015.

[11]     M. F. Ashby, Materials and the Environment: Eco-Informed Material Choice, Elsevier, 2012.