Post-doctoral position « Development of a pilot line for Light impurity purification in Silicon wastes from Photovoltaic module manufacturing » – SIMAP Saint Martin d’Hères

Context and Project

At the global scale, photovoltaic industry is booming to match the demand for clean, renewable and ecocompatible energy sources for the forthcoming green transition. Together with this spreading comes concerns about actual circularity of this industry. In particular, the management of waste materials and energy coming from the production of solar panels has to be addressed to confirm the social, environmental and economic acceptability of solar energy.

As a matter of facts the current production chain for module manufacturing is far from being eco-friendly and economically sustainable: whilst producing PV grade silicon is highly intensive in terms of natural resources (6kg for 1kg EG-Silicon) and energy (80kWh/kg corresponding to 80kg of CO2 emitted per kilogram of Silicon with the Chinese electricity mix), 40% of the ultrapure Silicon is dramatically wasted during the wafering step (kerf powder). In addition, multicrystalline ingot casting and monocrystalline ingot pulling consumes large amounts of – currently – disposable purified silica crucibles and graphite parts from the thermal setups.

The H2020 EU ICARUS (Convention n° 958365) project is granted to address all the waste materials streams from the wafer manufacturing in order demonstrate modular processing solutions at industrial scale to retrieve 95% of high-value raw materials from silicon ingot and wafer manufacturing, through eco-efficient processing, refining, and transformation of industrial silicon, graphite and silica waste streams.
However, recycling Silicon kerfs raises scientific, technological and economic issues: diamond wire saw used for the wafering being water-cooled with lubricant additives (mostly PolyEthyleneGlycol), Silicon kerfs are consequently partly oxidized (silica layer) and contaminated with PEG residues. Efficiently reclaiming Silicon kerfs implies the ability to provide satisfactory raw materials back to the photovoltaic chain. Hence, recycled Silicon must comply with specifications of the ingot manufacturer regarding the shape (granules/chunks) and mostly purity (metallic and light impurities management).

Based upon a strong and well-established collaboration between Grenoble INP – through SIMaP laboratory – and ROSI Solar startup company, a pilot line will be developed in the framework of the ICARUS project to achieve kerf recycling. From previous lab-scale results and proprietary know-how, the main objective is to be able to achieve kerf purification and reconditioning matching PV specifications. A series of low and high temperature processes are implemented to demonstrate both the technological efficiency and economic performance.

Regarding kerf purification, a first set of low temperature treatments are lowering the initial light impurities (C,O) content from a few weight percent level below 1w%. High temperature treatment is then needed to further decrease the residual light impurities content to match the requested ppm level (5N Solar grade). Deoxidation and decarburization of the kerf powder will be considered through metallurgical treatment at high temperature, meaning above the melting point of Silicon, implementing a physico-chemical transfer from the condensed phase towards gas phase to evacuate by-products of reactions.

Job description

In this context, the recruited postdoc will be fully involved in the design of the purification pilot. Given the high interaction level needed to achieve the ambitious objectives of the ICARUS project between SIMAP laboratory and ROSI, a joint team will be developed to enhance and promote scientific and technical advancements between the partners.
In particular, the postdoc will focus on the scientific development of the deoxidation and decarburization process at high temperature mostly through an experimental approach, that will be completed by thermodynamic and kinetics calculations:
i. Based on the existing literature and in relation with his/her supervisor, the postdoc will mostly
consider on the ternary system Si-O-C (condense/gas) in order to
ii. The postdoc will design the experimental plan, conduct the experiments and analyze the results with
the support of dedicated characterizations. Experimental tests will be made with model compounds
and with industrial compounds in order to validate the proposed technological solutions.
iii. Thermodynamic and kinetics calculations will be employed to assess the performance of the
mechanisms, to aim at an optimized process.
iv. Reporting (oral presentations, reports) will be performed at the team and project levels
As part of the joint SIMAP/ROSI team, the postdoc will also benefit from industrial feedbacks about the scalability and cost breakdown of the approach.

Post-doctorat en conception d’inserts en céramique pour tubes radiants à combustion destinés à la sidérurgie secondaire – LCTS Pessac

Contexte
Ce travail s’insère dans le projet CEM-WAVE, qui vise au développement en Composites à Matrices Céramiques (CMC) de brûleurs radiants fonctionnant au biogaz pour la sidérurgie secondaire, en substitution à des alliages métalliques. En effet, ces matériaux permettront une réduction appréciable du coût énergétique de cette industrie et bénéficierait d’une durée de vie largement supérieure dans les conditions d’utilisation : hautes températures, environnement corrosif.
L’action proposée est le design et le suivi de réalisation d’inserts en céramique réfractaire destinés à être placés dans ces tubes pour en améliorer le rendement thermique, c’est-à-dire l’efficacité du transfert de chaleur des gaz en combustion vers les parois externes du tube, sans augmenter exagérément la perte de charge nécessaire à obtenir l’écoulement des gaz.

Missions
Le travail se basera sur des outils de CAO, avec le dessin de structures à insérer, puis sur un logiciel commercial de
mécanique des fluides capable de modéliser le transfert de chaleur par conduction, convection en écoulement turbulent et
rayonnement. Une stratégie d’optimisation des géométries des objets sera mise en place avec des campagnes de variations de paramètres morphologiques à déterminer. Une fois un optimum atteint, il s’agira alors de commander une pièce en céramique ayant la forme requise et d’accompagner sa fabrication. La pièce reçue sera ensuite transmise aux autres partenaires du
projet pour analyses et tests.

Compétences requises
Ingénieur et/ou ingénieur-docteur ayant des compétences en CAO, production de maillages et modélisation de thermique et d’écoulements. Compétences requises sur le logiciel FLUENT. Des compétences en IA seront appréciées. Démarrage en Janvier 2022. Financement par la Commission Européenne au sein du projet H2020 RIA “CEM-WAVE” sous le n° 958170.

Contact (www.lcts.u-bordeaux.fr)
Gerard L. VIGNOLES vinhola@lcts.u-bordeaux.fr
Bruno DUBROCA dubroca@lcts.u-bordeaux.fr

Informations supplémentaires : https://emploi.cnrs.fr/Offres/CDD/UMR5801-GERVIG2-023/Default.aspx

Faculty Position in Thermal Transport for Energy – Ecole polytechnique fédérale de Lausanne

The Institute of Mechanical Engineering is soliciting applications for a faculty position at the level of tenure track Assistant Professor in Multi-Scale Thermal Transport for Energy Systems.

We seek applicants with research interests in the broad area of thermal transport and dynamical thermal storage across multiple scales (system, device and material levels) to advance the scientific and engineering challenges presented by the requirement to efficiently convert and transport large amounts of thermal energy and the need for integration of
significant amounts of renewable energy into our energy mix. The new faculty hire will address these
challenges from an experimental, theoretical, or computational standpoint (or a combination thereof).
We target strategic domains including, but not limited to: (i) Thermal transport in energy systems (e.g., industrial high-temperature processes, novel solutions for thermal energy supply in portable applications); (ii) Thermal transport in energy devices (e.g., passive energy transport and harvesting, energy recovery from high-intensity heat dissipation); and (iii) Fundamentals of spatio-temporal thermal transport (e.g., thermal storage, long-distance transport, thermo-mechanics, and thermo-chemistry). Besides an outstanding research record, the candidates should demonstrate a strong commitment to excellence in teaching at the undergraduate and graduate levels.

As a faculty member of the School of Engineering, the successful candidate will be expected to initiate an independent and creative research program and participate in undergraduate and graduate teaching. Internationally competitive salaries, start-up resources, and benefits are offered.

For additional information on EPFL, please consult the websites: www.epfl.ch, sti.epfl.ch, igm.epfl.ch.

Chercheur/se (H/F) en modélisation par Monte-Carlo des transferts thermiques couplés en géométrie 3D complexe – LMAP Pau

Missions

Dans le cadre du projet Région Nouvelle Aquitaine « Imagerie & Méthodes Thermiques Multi échelles dédiées à l’usine du futur », des modèles probabilistes seront appliqués à l’identification des températures sur des images infrarouges. La méthode de Monte-Carlo sera utilisée pour la résolution des transferts couplés et elle sera mise en oeuvre grâce à l’environnement de développement Star-engine (langage de programmation en C) pour traiter des géométries 3D complexes.

Activités

– Collaborations régulières avec les membres (chercheurs et doctorants) du projet pour guider les développements théoriques et former aux outils informatiques développés
– Construction d’un modèle d’identification de la température en partenariat avec les expérimentateurs
– Formulation du problème de transferts thermiques couplés en espace de chemins et proposer un algorithme de résolution (linéaire ou non linéaire)
– Développement d’un programme informatique de post-traitement des images infrarouges pour l’identification des températures (approche bayésienne, Monte-Carlo Symbolique, etc.)
– Rédaction d’articles en anglais dans des revues de rang A et communications à l’international

Compétences

De solides connaissances en physique et résolution des transferts thermiques sont nécessaires, ainsi qu’une forte expérience en programmation. La mise en oeuvre de modèles de thermique couplée et résolus par Monte-Carlo est un plus.

Candidature

voir ici

Offre de thèse CIRIMAT-ONERA Toulouse

PROPOSITION DE THESE 2021-2024

Sujet : Étude expérimentale et théorique de la diffusion de l’oxygène dans des alliages de titane
Thématique : physique, chimie, matériaux
Mots clés : diffusion, alliages, modélisation
Description :

Les alliages à base de titane sont utilisés comme matériaux de structure dans des applications aéronautiques en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques spécifiques. Cependant, à haute température, ils sont limités par leurs tenue en fluage et par leur résistance à l’environnement. En effet, le titane présente une solubilité en oxygène particulièrement élevée. La dissolution de l’oxygène sous la couche d’oxyde de surface et sa diffusion dans l’alliage entraînent une fragilisation qui peut faciliter l’amorçage et la propagation de fissures de fatigue. Il est donc essentiel de pouvoir prédire la cinétique de croissance de la zone enrichie en oxygène.
Le but de cette thèse est de modéliser la dissolution et la diffusion de l’oxygène dans les alliages de titane. Ce travail s’appuiera sur une approche combinant expériences et modélisation multi-échelle. D’un point de vue expérimental, des alliages modèles binaires et ternaires seront utilisés pour mesurer l’effet de certains éléments d’alliage sur l’enrichissement en oxygène, qui sera mesuré par un ensemble de techniques complémentaires (profils de micro-dureté, profils de concentrations par microsonde de Castaing, par SIMS –avec utilisation d’oxygène 16O2 et 18O2–, voire par microscopie électronique en transmission et par sonde atomique tomographique). Le travail de modélisation reposera sur des simulations à l’échelle atomique (calculs ab initio) ainsi que des simulations de diffusion à une échelle micrométrique utilisant des codes en différences finies disponibles au laboratoire. Les simulations à l’échelle atomique, déjà utilisées au CIRIMAT sur ce type de calculs, permettront d’évaluer la limite de solubilité et le coefficient de diffusion de l’oxygène dans les alliages d’intérêt. Les simulations à l’échelle micrométrique permettront d’analyser les résultats expérimentaux et de réaliser des prévisions de comportement. La force de la modélisation est de pouvoir réaliser des expériences numériques sur des compositions chimiques variées et ainsi tester différentes combinaisons. L’ensemble de ce travail devra permettre de progresser dans la compréhension de l’enrichissement en oxygène et d’acquérir des données permettant d’aider au développement de nouveaux alliages plus résistants à l’oxydation-fragilisation.

Contexte :
Ce projet s’insère dans une étude portée par l’ONERA, financée par la DGAC (Direction générale de l’aviation civile), et conduite en lien avec plusieurs industriels de l’aéronautique (Safran, Airbus, Liebherr Aerospace).

Localisation :
Le travail de thèse sera réalisé principalement au CIRIMAT (Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux, UMR 5085) INP-ENSIACET, 4 allée Emile Monso BP44362 31030 Toulouse cedex 4 France, en collaboration étroite avec l’ONERA (Châtillon). L’école doctorale sera « Science de la matière (SDM), Université de Toulouse » .
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/10/2021

Personnes à contacter par la candidat
Damien Connétable (damien.connetable@ensiacet.fr) (co-directeur de thèse)
Thomas Gheno (thomas.gheno@onera.fr) (porteur du projet, co-encadrant de thèse)
Daniel Monceau (daniel.monceau@toulouse-inp.fr) (co-directeur de thèse)

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