Une énergie enfouie sous nos pieds :

Chaque jour, des millions de kilomètres de routes absorbent le rayonnement solaire. Sous l'effet du soleil, la surface d'une chaussée peut atteindre 60 à 70 °C en été. Cette chaleur, aujourd'hui dissipée dans l'atmosphère, constitue pourtant une source d'énergie considérable et quasi inexploitée. Et si nos routes pouvaient produire de l'énergie en récupérant cette chaleur pour alimenter des bâtiments, dégivrer des chaussées ou stocker de l'énergie dans le sol ?

C'est précisément l'ambition portée par le concept de chaussée solaire hybride, développé à l'Université Gustave Eiffel (Vizzari et al. 2020) et aujourd’hui protégé par un brevet (Chailleux et al. 2022). Ce système innovant combine des panneaux photovoltaïques intégrés à la route avec une couche de béton poreux traversée par de l'eau, servant de fluide caloporteur pour capter la chaleur stockée dans la structure.

Ma thèse s'inscrit dans la continuité de ce projet, avec un objectif central : analyse des transfert thermiques et hydrauliques dans les milieux poreux pour chaussées solaires hybrides, afin d'améliorer significativement le rendement énergétique global du système.

Comment fonctionne une chaussée hybride ?

Un prototype de laboratoire a été développé à l'Université Gustave Eiffel, et un démonstrateur en conditions réelles a été installé sur le campus.

La chaussée hybride (Figure 1) se compose de plusieurs couches superposées, du haut vers le bas :

• Une couche semi-transparente protège les cellules solaires tout en laissant passer la lumière.
• Des panneaux photovoltaïques convertissent l'énergie solaire en électricité.
• Une couche de béton poreux joue le rôle d'échangeur thermique : l'eau y circule, capte la chaleur emmagasinée dans la structure, puis est acheminée vers des systèmes de stockage ou d'utilisation.
• Une couche de base en béton pour résister au trafic.

Figure 1 : Croquis du prototype de laboratoire (Gennesseaux et al. 2020)

Les premières mesures ont révélé un rendement énergétique d'environ 15% par les panneaux photovoltaïque et d’environ 60% par la couche poreuse en béton. Un résultat encourageant, mais qui laisse une marge d'amélioration importante, et c'est là qu'interviennent mes travaux.

Pourquoi le béton poreux est-il au cœur du problème ?

Dans la couche de béton poreux, deux mécanismes physiques assurent les échanges de chaleur entre la matrice solide et le fluide caloporteur :

• La conduction : transfert de chaleur de grain en grain, de proche en proche dans la structure solide.
• La convection : échanges thermiques entre la paroi des pores et le fluide en mouvement.

Les calculs analytiques réalisés à partir des mesures expérimentales du prototype ont montré que la convection est le mécanisme dominant, représentant plus de 97 % des transferts thermiques au sein de la couche poreuse. Ce résultat est déterminant : pour améliorer le rendement du système, il faut avant tout agir sur la géométrie du réseau de pores, afin d'augmenter la surface de contact entre l'eau et la matrice solide et d'optimiser l'écoulement du fluide.

Or, le béton poreux conventionnel présente une structure aléatoire et difficilement maîtrisable. La taille et la distribution des pores varient d'un endroit à l'autre, ce qui limite la capacité à optimiser simultanément les performances thermiques, hydrauliques et mécaniques.

Des structures inspirées de la nature pour dépasser les limites du béton

Pour pallier ces contraintes, la recherche explore différentes familles de géométries tridimensionnelles. Dans un premier temps, des géométries contrôlées mais relativement simples telles que des tubes, des spirales ou des canaux en zigzag constituent une base d'étude accessible, permettant de caractériser et d'optimiser les échanges thermiques avec des configurations maîtrisables. Dans un second temps, une famille de structures plus complexes appelées TPMS (Yeranee et al.2022) (Triply Periodic Minimal Surfaces, ou surfaces minimales triplement périodiques) représente une piste particulièrement prometteuse, bien que leur mise en œuvre reste encore à confirmer. Inspirées des architectures que l'on retrouve dans la nature, ces surfaces mathématiques présentent des propriétés exceptionnelles : haute porosité, grande perméabilité, grosse surface d'échange et bonne tenue mécanique. Parmi les géométries les plus étudiées figurent Diamond, Gyroid et Primitive.

Les analyses comparatives montrent des surfaces d'échange spécifiques atteignant 4 000 à 6 000 m², contre seulement 620 m² pour un béton poreux conventionnel, soit un gain d'un facteur 7 à 10, directement favorable à l'intensification des échanges thermiques par convection. Ces structures (figure 2), aujourd'hui fabriquées par impression 3D, constituent ainsi une piste innovante pour remplacer ou compléter le béton poreux traditionnel dans la couche récupératrice de la chaussée hybride.

Figure 2 : Géométries poreuses TPMS (Yeranee et al. 2022)

Un banc d’essai pour l’étude hydraulique et thermique

Pour évaluer concrètement les performances de ces matériaux, un montage expérimental en circuit fermé a été conçu et mis en place au laboratoire. Il s'agit d'une colonne cylindrique verticale dans laquelle est insérée une éprouvette de béton poreux. Un bain thermostaté régule la température d'entrée de l'eau, une couverture chauffante applique un flux thermique périphérique contrôlé, et un ensemble de capteurs (thermocouples), manomètre différentiel, débitmètre, permet d'enregistrer en temps réel les températures, les débits et les pertes de charge.

Ce dispositif représente une avancée par rapport au prototype de laboratoire existant : il permet de contrôler précisément les conditions d'essai, d'isoler les effets de la géométrie de ceux des propriétés intrinsèques des matériaux, et de comparer différentes formulations dans des conditions rigoureusement identiques.

Figure 3 : Schéma simplifié du circuit hydraulique et thermique en boucle fermée

Améliorer la conductivité en plus de la convection

En parallèle de l'exploration des structures TPMS, une deuxième voie d'optimisation est étudiée : celle de la conductivité thermique de la matrice solide. En améliorant la capacité du béton à conduire la chaleur, on peut renforcer le transfert conductif et accroître le flux thermique total capté par le fluide.

Des matériaux comme la magnétite (Jaskulski et al. 2024) (un agrégat naturel à haute densité et haute conductivité thermique, de l'ordre de 5 W/m·K), les fibres d'acier (Ren et al. 2022) ou encore le carbure de silicium (Kim et al. 2024) ont été identifiés dans la littérature comme des additifs capables de multiplier la conductivité du béton par deux à cinq.

Des routes au service de la transition énergétique

Les routes couvrent des surfaces considérables, souvent très exposées au soleil et aujourd'hui thermiquement passives. Les travaux menés dans cette thèse s'inscrivent dans une vision plus large : celle de routes actives, capables de produire et de récupérer de l'énergie, tout en conservant leurs fonctions mécaniques et leur durabilité.

Chaque progrès dans la compréhension des transferts thermiques en milieu poreux, chaque innovation géométrique ou matérielle testée en laboratoire, contribue à rapprocher ce concept de son application réelle. Il ne s'agit pas seulement d'une question d'ingénierie : c'est aussi une réponse concrète aux enjeux de transition énergétique et d'adaptation des infrastructures au changement climatique.

Ces travaux doctoraux sont financés par la Région Pays de la Loire et par l’Université Gustave Eiffel. Ils sont conduits au sein des laboratoires MAST-MIT, MAST-GPEM et COSYS-SII, sous la direction d’Emmanuel Chailleux, la codirection de Florian Huchet et l’encadrement d’Eric Gennesseaux, Romain Noel et Thierry Sedran.