Efficacité énergétiqueEfficacité énergétiqueDes solutions pour l’habitat de demainDes solutions pour l’habitat de demain

Laboratoire dLaboratoire d’é’électrodynamique des matlectrodynamique des matéériaux avancriaux avancéés s LEMA LEMA UMR 6157 CNRS UMR 6157 CNRS

UFRUFR Sciences & Techniques, Tours (France)Sciences & Techniques, Tours (France)

42 personnes 42 personnes 25 permanents dont 19 chercheurs 25 permanents dont 19 chercheurs

17 doctorants et post17 doctorants et post--doctorantsdoctorants(Brésil, Chine, Corée, Italie, Inde, Japon, Vietnam)(Brésil, Chine, Corée, Italie, Inde, Japon, Vietnam)

francoisfrancois..gervaisgervais@@univuniv--tours.tours.frfr

Plus de 90 % de la dépense d’énergie actuelle est due à la Plus de 90 % de la dépense d’énergie actuelle est due à la combustion de combustibles fossilescombustion de combustibles fossiles

Nucléaire (énergie dont le Nucléaire (énergie dont le combustible s’épuise…) et combustible s’épuise…) et hydroélectrique (durable) ne font hydroélectrique (durable) ne font chacun que quelques pour cent de chacun que quelques pour cent de la production mondialela production mondiale

Couvrir tous les toits du monde de Couvrir tous les toits du monde de panneaux photovoltaïques ne panneaux photovoltaïques ne couvrirait qu’un faible pourcentage couvrirait qu’un faible pourcentage de la consommation mondiale de la consommation mondiale d’énergie…d’énergie…

La part des énergies La part des énergies renouvelables à augmenté en renouvelables à augmenté en valeur absolue mais diminué en valeur absolue mais diminué en valeur relative…valeur relative…

En parallèle au développement En parallèle au développement des énergies renouvelables, il faut des énergies renouvelables, il faut économiser l’énergie. C’est un des économiser l’énergie. C’est un des objectifs de l’Europe.

SOURCES D'ENERGIE ELECTRIQUES

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

90,0%

UNIONEUROPENNE

Allemagne France NORDAMERIQUE

USA CANADA JAPON

FOSSILES NUCLEAIRE HYDRAULIQUE AUTRES ENR

objectifs de l’Europe.

Micro-Macinazione France SA

MEROT SODEX

CNRT 2000 – CERTeM 2006

Power Microelectronics 1996

®

STMicroelectronics

EnergiesEnergies nouvelles nouvelles

Conversion d’énergieConversion d’énergie

Efficacité énergétiqueEfficacité énergétique

Soutenu par le Soutenu par le FCEFCE (Ministère de l’Industrie)(Ministère de l’Industrie)

SéSAME SéSAME

Sciences électriques et SystèmesSciences électriques et SystèmesAppliqués au Management de Appliqués au Management de l’Energiel’Energie

pour l’Habitat du Futurpour l’Habitat du Futur

Efficacité énergétique dans le bâtimentEfficacité énergétique dans le bâtimentMeilleur confort des habitationsMeilleur confort des habitationsSécurité et santé des habitantsSécurité et santé des habitants

Stockage

énergie Carrefourd’énergie

Sources

énergies

Nouvelles

RéseauEDF

RF,( IR,

Bus… )Nœud

ISISISIS

KATIUM

CAPTHOM

GEDELOC

CAPICAPI

Nœud

Nœud

Nœud

MesureDistribution

ProtectionNœud

Action-neur

CapteurRF

CapteurAutonome

MicroSourceénergie

Produits

Services

Composants

ThèmesGestion del’ Énergie

Conversion de l’ Énergie

Composants Actifs/Passifs

Commutation de l’ Énergie

Capteurs

CARENE

CAPI

GEDELOC

ISIS

CAPTHOM

Projet SéSAME

Total projetTotal projet 165 hommes.ans165 hommes.ans

GREMIGREMILCCLCCLEMALEMALESI LESI

LMPLMPLUSSILUSSILVR PLVR Pôôle Capteursle Capteurs

CRESITT IndustrieCRESITT Industrie

A2E TechnologiesA2E Technologies

A2IE/AINELECA2IE/AINELEC

AgilicomAgilicomAlombardAlombardINELINELLegrandLegrandMecagisMecagisSorecSorec, , STMicroelectronics STMicroelectronics ThermorThermorVermonVermonWirecomWirecom TechnologiesTechnologies

CERTeM : plateCERTeM : plate--forme à laquelle sont adossésforme à laquelle sont adossésdes programmes de recherches sur l’énergie des programmes de recherches sur l’énergie

Electro-ménager Industriel Télécommunications Informatique Grand Public Automobile

3 axes stratégiques3 axes stratégiques

MicroMicro--sources d’énergie propressources d’énergie propres

Efficacité énergétique et conversion de puissanceEfficacité énergétique et conversion de puissance

Intégration de systèmes électroniques

EfficacitEfficacitéé éénergnergéétiquetiqueÉÉnergies nouvellesnergies nouvellesRRééduction des coduction des coûûtstsDDééveloppement veloppement durabledurable

Intégration de systèmes électroniques

Équipements et chercheursÉquipements et chercheursdans la «dans la « salle blanchesalle blanche »»

du CERTeMdu CERTeMsur le site STMicroelectronicssur le site STMicroelectronics

Recherche «Recherche « amontamont »»et finaliséeet finalisée

Silicon

Buffer + electrode

High κ

Electrode

< 1 mm< 1 mm

< 1 < 1 µµmm

Exemple de problExemple de probléématique matique

Les condensateurs Les condensateurs occupent trop de place occupent trop de place dans les pucesdans les puces

Miniaturisation nMiniaturisation néécessaire !cessaire !

électrode

40 x 40 µm

100 x 100 µm

250 x 250 µm

10 mm

10 mm

Bottom electrodes

Top electrodes

diélectriqueélectrode

Approche combinatoire des performances Approche combinatoire des performances de condensateurs de couches déposées de condensateurs de couches déposées

par ablation laserpar ablation laserANR/PNANO/NANOCOMBIANR/PNANO/NANOCOMBI

Centre Nat ionalde Recherche Technologique

Tours

Microélectronique de Puissance

Permittivité de matériauxPermittivité de matériaux

PermittivitPermittivitéé relative du vide (ou de lrelative du vide (ou de l’’air) : 1air) : 1

SiliceSilice 3.83.8PorcelainePorcelaine 66AlumineAlumine 99Verre de NaVerre de Na 7.27.2Titanate de baryum et strontium > 1000Titanate de baryum et strontium > 1000Titanate de calcium et cuivreTitanate de calcium et cuivre > 100 000> 100 000

Modèle IBLC (Modèle IBLC (InternalInternal BarrierBarrier Layer Capacitance) pour les Layer Capacitance) pour les céramiques CCTOcéramiques CCTO

Le modèle, calculé sur la base d’un Le modèle, calculé sur la base d’un réseau de condensateurs dans réseau de condensateurs dans l’approximation cubique, supposel’approximation cubique, suppose

Des grains faiblement conducteurs Des grains faiblement conducteurs (diamètre G)(diamètre G)Des joints de grains isolants Des joints de grains isolants (épaisseur t)(épaisseur t)

Constante diélectrique effective Constante diélectrique effective

εεeffeff = = εεgbgb G/t

G

t

G/t

Permittivité des céramiquesPermittivité des céramiques

εεeffeff = = εεgbgb G/tG/t

Résultats du CIRIMAT UMR 5085 Résultats du CIRIMAT UMR 5085 CNRS ToulouseCNRS Toulouse

G = 23 000 nmG = 23 000 nmεεgbgb= 47= 47t = 2 nmt = 2 nm

εεeffeff = 540 000

G

t

= 540 000

Performances des Panneaux isolants sous videPerformances des Panneaux isolants sous vide

Conductivité thermique des meilleurs isolants Conductivité thermique des meilleurs isolants thermiquesthermiques

PolystyrènePolystyrène 40 W/m/K40 W/m/KAirAir 2525PIVPIV 3,53,5--55

en diffusant les photons par des tailles de particules en diffusant les photons par des tailles de particules comparables au longueurs d’onde dans l’infrarougecomparables au longueurs d’onde dans l’infrarougeen supprimant la conductivité thermique de l’air en supprimant la conductivité thermique de l’air (vide)(vide)en laissant les phonons se perdre dans un en laissant les phonons se perdre dans un labyrinthe…labyrinthe…Problème : sensibilité à l’humidité et dégradation Problème : sensibilité à l’humidité et dégradation rapiderapide

Applications actuelles et Applications actuelles et potentiellespotentiellesde la supraconductivité de la supraconductivité

Aimants Aimants Champ magnétique de 7 à > 30 TChamp magnétique de 7 à > 30 T

SQUID (SQUID (SuperconductingSuperconducting Quantum Quantum InterferenceInterference DeviceDevice))

Détecteur de champ magnétique Détecteur de champ magnétique infime infime

ElectroniqueElectronique de haute fréquencede haute fréquencePorte logique à plus de 100 GHzPorte logique à plus de 100 GHzDétection infrarougeDétection infrarougeAntennes à faible bruit pour l’écoute du Antennes à faible bruit pour l’écoute du cosmoscosmosTransport de courant sans perteTransport de courant sans perteGénérateurs, transformateurs, moteurs…Générateurs, transformateurs, moteurs…Lévitation magnétiqueLévitation magnétiqueConversion de puissance ?Conversion de puissance ?……

La supraconductivitéLa supraconductivité

Résistance électrique Résistance électrique nullenulleExpulsion du champ magnétique = diamagnétisme parfait Expulsion du champ magnétique = diamagnétisme parfait (si l’épaisseur est suffisante, supérieure au micromètre) (si l’épaisseur est suffisante, supérieure au micromètre)

A propos de l’aimant…A propos de l’aimant…

Lorsqu’au XVILorsqu’au XVIéme éme siècle on dresse la liste des phénomènes siècle on dresse la liste des phénomènes mystérieux, entrant dans la catégorie des «mystérieux, entrant dans la catégorie des « merveillesmerveilles », l’aimant est », l’aimant est cité en premier.cité en premier.

«« On dit de l’aimant que placé sous l’oreiller d’une femme On dit de l’aimant que placé sous l’oreiller d’une femme endormie, il la tire du lit si elle est adultèreendormie, il la tire du lit si elle est adultère »…»…William Gilbert William Gilbert (1544(1544--1603) De 1603) De MagneteMagnete

«« L’aimant étant placé sous le chef d’une femme dormante, si elle L’aimant étant placé sous le chef d’une femme dormante, si elle est chaste, elle embrasse son mari d’amoureux et doux est chaste, elle embrasse son mari d’amoureux et doux embrassement, mais si elle est adultère, elle sera, comme embrassement, mais si elle est adultère, elle sera, comme poussée de violente main, jetée hors du litpoussée de violente main, jetée hors du lit » » JeanJean--Baptiste Porta Baptiste Porta 16801680

La supraconductivitéLa supraconductivité

i

H

Résistance électrique Résistance électrique nullenulleExpulsion du champ magnétique = diamagnétisme parfait Expulsion du champ magnétique = diamagnétisme parfait (si l’épaisseur est suffisante, supérieure au micromètre) (si l’épaisseur est suffisante, supérieure au micromètre) Pas une propriété atomique ou moléculaire, mais celle d’un Pas une propriété atomique ou moléculaire, mais celle d’un cristalcristalPhénomène purement «Phénomène purement « quantiquequantique » »

Un Un éélectron acclectron accéélléérréé sur une orbite circulaire sur une orbite circulaire éémet met un rayonnement synchrotronun rayonnement synchrotron

Toute particule chargToute particule chargéée soumise e soumise àà une une accaccéélléération ration éémet des ondes met des ondes éélectromagnlectromagnéétiquestiques

donc est freindonc est freinééee……Cet effet est Cet effet est àà la base des communications la base des communications «« sans filsans fil »», puisque les ondes sont , puisque les ondes sont éémises mises par des par des éélectrons qui oscillent le long des lectrons qui oscillent le long des antennesantennesOr, dans un aimant supraconducteur, le Or, dans un aimant supraconducteur, le champ magnchamp magnéétique reste constant au cours tique reste constant au cours du tempsdu temps

donc les donc les éélectrons ne sont lectrons ne sont pas freinpas freinéés !s !comme dans le mouvement comme dans le mouvement des des éélectrons autour du lectrons autour du noyau de lnoyau de l’’atome, atome, phphéénomnomèène ne quantiquequantique……

La supraconductivitéLa supraconductivité

i

H

Résistance électrique Résistance électrique nullenulleExpulsion du champ magnétique = diamagnétisme parfait Expulsion du champ magnétique = diamagnétisme parfait (si l’épaisseur est suffisante, supérieure au micromètre) (si l’épaisseur est suffisante, supérieure au micromètre) Pas une propriété atomique ou moléculaire, mais celle d’un Pas une propriété atomique ou moléculaire, mais celle d’un cristalcristalPhénomène purement «Phénomène purement « quantiquequantique » : «» : « paires de Cooperpaires de Cooper »»Les ions magnétiques sont des poisons pour la supra (pair Les ions magnétiques sont des poisons pour la supra (pair breakingbreaking))

spin despin del’électronl’électron

Les 3 gardiens de la supraconductivitéLes 3 gardiens de la supraconductivité

La température doit rester La température doit rester inférieure à un seuil, la inférieure à un seuil, la température «température « critiquecritique », car au », car au dessus de la température critique, dessus de la température critique, l’amplitude des vibrations l’amplitude des vibrations atomiques casse les «atomiques casse les « paires de paires de CooperCooper »»

La densité de courant doit rester La densité de courant doit rester inférieure à un seuil critiqueinférieure à un seuil critique

Le champ magnétique doit rester Le champ magnétique doit rester inférieur à un champ critique inférieur à un champ critique (> 30 T dans YBa(> 30 T dans YBa22CuCu33OO77))

4,2 K (Hg) 4,2 K (Hg) OnnesOnnes 1911 1911 (Nobel 1913)(Nobel 1913)Meissner 1933Meissner 1933Bardeen Cooper Schrieffer Bardeen Cooper Schrieffer 1957 (1972)1957 (1972)GiaverGiaver Josephson 1962 Josephson 1962 (1973)(1973)23 K (Nb23 K (Nb33Ge) 1973Ge) 197334 K (La34 K (La22CuOCuO44 dopé dopé BaBa) ) Müller & Müller & BednorzBednorz 1986 1986 (1987)(1987)92 K (YBa92 K (YBa22CuCu33OO77) Chu & ) Chu & Wu 1987Wu 1987125 K (Hg1223) 1993125 K (Hg1223) 1993

Une histoire pavée de Prix NobelUne histoire pavée de Prix Nobel

Théorie de Bardeen Cooper Schrieffer (BCS) Théorie de Bardeen Cooper Schrieffer (BCS) Énergie de création et/ou de destruction Énergie de création et/ou de destruction

des paires de Cooper (bosons)des paires de Cooper (bosons)

22∆(0)∆(0) ~ ~ kkBBTTCC ~ ~ hhννphononphonon ~ (k/m)~ (k/m)1/21/2

La théorie BCS prévoit «La théorie BCS prévoit « l’effet isotopiquel’effet isotopique » » vérifié dans les métaux et alliages vérifié dans les métaux et alliages suprassupras

Les paires de Cooper se comportent comme une onde et non plus coLes paires de Cooper se comportent comme une onde et non plus comme mme des particules de matière comme les électronsdes particules de matière comme les électrons

SC Coil

Cryogenic Container

bushing

YBCO Tapes

SC Transformer< Low AC Loss & Large current capacity >

SC Motor< Rotating field coil >

SC CoilCryogenic Container

Current Lead

Cooling Machine

Compressor

SC Fault Current Limiter< S/N Transition Type Coil >

Cryocooler< Cooling Technology >

Image of Preliminary Works for ApplicationsImage of Preliminary Works for Applications

超電導導体

絶縁層

超電導シールド層

断熱管

YBCO Tapes

HTS Power Cable< 20m & Low AC Loss >

SouthwireSouthwire/NKT/ORNL/AMSC/AEP HTS Cable Demonstration/NKT/ORNL/AMSC/AEP HTS Cable Demonstration

Courtesy Courtesy SouthwireSouthwire Co.Co.

Status of Long Coated ConductorsStatus of Long Coated Conductors((ShioaraShioara may 2006)may 2006)

50

100

150

200

250

300

Ic(A

)

00 50 100 150 200 250 300

Length (m)

NEDO mid goal200mx200A (2005)

=10,000Am

30,000Am

50,000Am

60,000Am

50

100

150

200

250

300

)

00 50 100 150 200 250 300

NEDO mid goal200mx200A (2005)

IcxL=10,000Am

30,000Am

50,000Am

60,000Am

40,000Am40,000Am

20,000Am20,000Am203mx93A

(Chubu)

40mx155A

(SWCC)

25mx100A(SRL)

100mx159A(SRL)

104mx97A(IGC)

91mx210A(SRL)46m

x182A(SRL)

2005.9

92mx96A(Chubu)

Tunnel

275kVCV Cable

Cable duct

Triplex HTS cable

New transmission line from a new generator

Replace a deteriorated cable with the HTS cable

05

101520253035404550

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

2022

2023

2024

2025

Year

HTS

cab

le m

arke

t in

Japa

n [M

$]

substitution rate　year　2015 1%　2016 2%　2017 4%　2018 8%　2019 12%　2020 17%　2021 23%　2022 31%　2023 42%　2024 56%　2025 56%

Replace

New constractionNew Construction

Market of HTS transmission cablesMarket of HTS transmission cables

LEMA : substitutions cationiques dans les oxydes LEMA : substitutions cationiques dans les oxydes à propriétés remarquablesà propriétés remarquables

Titanates Titanates Ferroelectriques Ferroelectriques Permittivité colossale ( > 100,000)Permittivité colossale ( > 100,000)

Condensateurs «Condensateurs « highhigh--KK » intégrés au silicium » intégrés au silicium

ManganitesManganitesTransitions de phase Transitions de phase FerromagnetiqueFerromagnetique (métal)(métal)--paramagnetiqueparamagnetique (isolant ou SC) ou AFM(isolant ou SC) ou AFM--PM ou PM ou d’autres… d’autres…

Magnétorésistance géanteMagnétorésistance géante

NickelatesNickelates 2D2DSéparation de phase statique (ou dynamique) Séparation de phase statique (ou dynamique) ElectrodeElectrode et/ou et/ou bufferbuffer d’épitaxie de condensateurs d’épitaxie de condensateurs

CupratesCuprates 2D2DSupraconducteursSupraconducteurs à haute température critiqueà haute température critique

Magnétorésistance géanteMagnétorésistance géanteElectroniqueElectronique de spinde spin

(Albert Fert – médaille d’or du CNRS 2003 –Prix Nobel 2007)

AmAméélioration des rendements lors de la conversion de puissancelioration des rendements lors de la conversion de puissance

Panneau photovoltaPanneau photovoltaïïque (courant continu, basse tension)que (courant continu, basse tension)Onduleur Onduleur --> r> rééseau EDF alternatif 220 Vseau EDF alternatif 220 V

Secteur 220 V alternatif Secteur 220 V alternatif Redresseur Redresseur --> PC (basse tension, continu)> PC (basse tension, continu)

t

I

t

IConversion d’énergie

Bilan sur le siliciumBilan sur le siliciumLorsque l’effet transistor a été découvert sur Lorsque l’effet transistor a été découvert sur le Germanium (John Bardeen) il y a près de le Germanium (John Bardeen) il y a près de 60 ans, pouvait60 ans, pouvait--on imaginer la révolution on imaginer la révolution technologique qui a suivi avec le Silicium ?technologique qui a suivi avec le Silicium ?

électroniqueélectroniqueinformatique informatique NT information et communication (dont NT information et communication (dont internetinternet))photographie photographie -- cinéma cinéma solaire photovoltaïque solaire photovoltaïque

--> révolution culturelle et sociétale> révolution culturelle et sociétale

Il a fallu 30 ans pour passer de la recherche Il a fallu 30 ans pour passer de la recherche au développement industriel dans l’exemple au développement industriel dans l’exemple du Silicium, matériau simple…

Image des atomes de siliciumImage des atomes de siliciumdans un «dans un « waferwafer », obtenue au LEMA», obtenue au LEMA

par microscopie à effet tunnelpar microscopie à effet tunneldu Silicium, matériau simple…

«« Il n'y a pas la plus petite indication que l'on puisse obtenir uIl n'y a pas la plus petite indication que l'on puisse obtenir un jour n jour de l'de l'éénergie nuclnergie nuclééaire. Cela impliquerait de pouvoir daire. Cela impliquerait de pouvoir déésintsintéégrer grer l'atome l'atome àà volontvolontéé »» Albert Einstein, 1932Albert Einstein, 1932

«« Je pense que la demande mondiale en ordinateurs n'excJe pense que la demande mondiale en ordinateurs n'excèèdera dera pas 5 machinespas 5 machines »» Thomas Watson, fondateur d'IBM, 1943Thomas Watson, fondateur d'IBM, 1943

«« Le monde contient bien assez pour les besoins de chacun mais Le monde contient bien assez pour les besoins de chacun mais pas assez pour la cupidité de touspas assez pour la cupidité de tous »»GandhiGandhi