Serge Agnel

Jêrome Castellon

Maître de Conférences
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Activités de Recherche

Contexte général

De 1994 à 2007, mes activités de recherche ont été réalisées au sein de l'équipe « Structures et Matériaux Isolants pour le Génie Électrique » du Laboratoire d'Électrotechnique de Montpellier (LEM) dirigé par Christian GLAIZE (jusqu’en 2003) puis par François FOREST (de 2003 à 2007). En 2007, les trois laboratoires montpelliérains dont les activités concernaient essentiellement l’électronique et le génie électrique (le CEM2, le LAIN et le LEM) ont fusionné et donné naissance à l’Institut d’Électronique du Sud (IES, UMR5214) aujourd’hui dirigé par Alain FOUCARAN.

J’effectue donc, depuis sa création en 2007, mes recherches au sein du Groupe Énergie et Matériaux (GEM) de l’IES. Les activités de recherche du GEM se développent dans le domaine de la fiabilité des matériaux, des composants et systèmes liés au transport et au traitement de l'énergie électrique et s'organisent selon deux axes thématiques qui sont, d'une part, l'étude des isolants électriques, avec une forte compétence relative aux câbles de transport de l’énergie, d'autre part l'étude de chaînes d'énergie incluant des actionneurs électriques, des convertisseurs de l'électronique de puissance et les ensembles de contrôle-commande associés.

Mes activités de recherche trouvent leur place, essentiellement, dans la fiabilité des isolants électriques solides pour systèmes haute tension soumis à de fortes contraintes et notamment l’influence de celles-ci sur le comportement, le vieillissement et la durée de vie du matériau, du composant ou du système. Les techniques d'études développées permettent, sur le plan fondamental, de mieux comprendre l'origine et l’influence des charges d'espace et ainsi d'établir le lien avec les phénomènes de dégradation des matériaux pouvant conduire à la rupture diélectrique. La mesure de ces charges d’espace est rendue possible grâce à la Méthode de l’Onde Thermique (MOT) inventée, développée et mise au point par notre équipe. Sur le plan pratique, les relations avec les divers industriels contribuent au choix des matériaux les mieux adaptés, à leur dimensionnement, au contrôle des procédés de fabrication et au suivi du vieillissement des systèmes du Génie Électrique.

L'amélioration de la fiabilité des isolants dans les divers composants et systèmes du génie électrique passe par la compréhension des phénomènes de rupture diélectrique en relation avec les phénomènes de vieillissement. Les techniques d'études développées au GEM permettent, sur le plan fondamental, de mieux comprendre l'origine des charges d'espace et ainsi d'établir le lien qualitatif et quantitatif avec la rupture diélectrique.

Au fil du temps, l’axe « Isolants pour systèmes haute tension » de l’équipe « Structures et matériaux isolants », a été poursuivi à travers différentes études en relation avec les industriels du génie électrique : pour les études sur matériaux et dispositifs dans le cadre du développement des systèmes HVDC (High Voltage Direct Current) ou bien encore dans le cadre des isolants pour alternateurs de forte puissance.

L’émergence des nanotechnologies dans le domaine des isolants pour l’ingénierie électrique impose la recherche et le développement de matériaux avancés. Ces matériaux  appelés « nanodiélectriques » nécessitent une caractérisation diélectrique exhaustive en fonction des propriétés des nanoparticules et des matrices polymères utilisées dans la mise en oeuvre du polymère nanocomposite. Dans ce cadre là, j’ai contribué à l’émergence d’un nouvel axe au sein de l’équipe concernant les études sur isolants « nanodiélectriques » pour les grands systèmes du génie électrique.

Période 1994 à 1997 : Doctorant

J'ai débuté mes activités de recherche en 1994 lors de mon stage de D.E.A. Électronique au sein de l'équipe "Structures et matériaux isolants pour le Génie Électrique" du Laboratoire d'Électrotechnique de Montpellier (LEM) à l'Université Montpellier II, dirigée par le Professeur Alain Toureille. Au cours de ce stage, j'avais pour mission de démontrer la faisabilité d'une technique de mesure de charge d'espace dans l’isolant des stators de machines électriques : la Méthode de l'Onde Thermique (MOT). Cette première étude concluante a initié mon travail de thèse de doctorat intitulée "Application des mesures de charges d'espace à la caractérisation de composants et matériaux composites industriels isolants" demandée et financée par la société GEC-ALSTHOM.

Mon objectif principal fut donc d'étudier le comportement diélectrique de nouvelles structures isolantes, telles que des composites Verre - Mica - Résine époxy soumis à des contraintes électriques continues et alternatives.

Période 1997 à 2004 : Chercheur post-doctorant à l’UM2

En septembre 1997, j'ai été employé en contrat à durée indéterminée au sein du LEM en tant que chercheur post-doctorant ADER. J'ai effectué et participé à de nombreux projets de recherche en relation avec l'industrie du génie électrique principalement axés autour de l'étude et la caractérisation des matériaux et des systèmes isolants du génie électrique, dans leurs conditions spécifiques d'utilisation. Ces travaux, très souvent confidentiels, ont été menés en relation avec le monde industriel et ont permis de développer des matériaux isolants pour de nouvelles applications mais aussi de nouveaux appareils de caractérisation : le but principal étant d'optimiser les performances des systèmes et matériaux isolants en vue d'augmenter leur fiabilité.

Pour répondre à la demande des partenaires industriels, entre 1998 et 2003, j'ai participé à la création et été directeur technique d'une « start-up » émanant du LEM intitulée Am2e (Advanced Metrology for Electrical Engineering), qui était chargée de valoriser les thèmes de recherche et de les adapter aux besoins des industriels. Cette expérience m'a permis de tisser de nombreux et solides liens avec le monde industriel qui perdurent encore aujourd’hui. Nous avons effectué des travaux très innovants d'un point de vue expérimental et scientifique, comme en particulier le développement, la mise au point et l'installation d'un banc de mesure spécifique permettant l'étude de câbles isolés de transport d'énergie à courant continu au sein de la société Nexans France. Cette installation intervient dans le cadre du remplacement des lignes aériennes pour le transport du futur par le câble extrudé à courant continu. Ce banc de mesure représente également une évolution importante de la MOT.

Période 2004 à 2013 : Attaché Temporaire à l’Enseignement et la Recherche (ATER) et Maître de Conférences à l'UM2

Depuis ma nomination au poste de Maître de Conférences de l'Université Montpellier 2 en septembre 2005, à l’issue d’une année en tant qu’Attaché Temporaire à l’Enseignement et la Recherche (ATER) à temps plein, la majorité de mes activités de recherche ont été réalisées au travers de projets supportés, soit par des subventions attribuées par les organismes institutionnels ou les collectivités locales, soit par des contrats de collaboration mis en place avec le monde industriel. Ces travaux, dont certains s’inscrivent dans la continuité des années précédentes, sont principalement destinés aux systèmes isolants de grande dimension et ont permis de développer des matériaux isolants pour de nouvelles applications mais aussi de nouveaux appareils de caractérisation : le but principal étant d'optimiser les performances des systèmes et matériaux isolants en vue d'augmenter leur fiabilité.

Mes principales activités de recherche peuvent être décomposées en trois parties:

  • le développement de technique non destructive pour mesurer le champ électrique dans les isolants solides ;
  • les études des propriétés diélectriques des structures et matériaux isolants des grands systèmes du génie électrique ;
  • la caractérisation et le développement de matériaux nanodiélectriques innovants destinés à l’isolation des grands systèmes du génie électrique du futur.

Les projets scientifiques dans lesquels je me suis investi, depuis ma nomination, s'orientent suivant deux principaux axes de recherche :

Le premier axe à forte implication industrielle, très proche de l’application « câble de transport d’énergie », concerne pour l’essentiel le développement, la mise au point et le transfert technologique dans l’industrie de techniques de caractérisation de l’isolant des câbles et la compréhension des phénomènes relatifs à la charge d’espace pouvant conduire à une baisse de performance dans le temps de ces isolations. Les principales évolutions des outils de caractérisation et les principaux résultats obtenus sur câbles de transport d’énergie, que ce soit pour des applications en courant alternatif ou en courant continu, montrent que le critère charge d’espace et les techniques qui permettent leur mesure sont aujourd’hui incontournables dans l’étude, le développement et l’utilisation des câbles de transport d’énergie.

Le deuxième axe, plus novateur et fondamental, mais non loin des applications industrielles, concerne l’utilisation des matériaux nanodiélectriques pour l’isolation des composants et systèmes du génie électrique. Les travaux menés traitent essentiellement de la caractérisation électrique et thermique de ces matériaux innovants avec comme principale préoccupation leur faculté à accumuler ou écouler les charges d’espace, mais également leur faculté à dissiper les calories. Ces différentes caractérisations ont fortement contribué au développement et au design de matériaux nanodiélectriques innovants pour les « câbles de transport d’énergie » et les « alternateurs de puissance » du futur. J’assure, ainsi, depuis ma prise de poste, l’animation de cette thématique « Nanodiélectriques » au sein du groupe GEM de l’IES.

L'ensemble des travaux principalement menés au travers de ces deux axes de recherche a donné lieu, entre autres, à 47 contrats de recherche institutionnels ou en relation avec l’industrie (dont 37 en tant que responsable ou co-responsable), à la publication de 20 articles de revues internationales à comité de lecture, 2 articles de revues nationales à comité de lecture, 4 chapitres d’ouvrages collectifs, 3 brochures techniques internationales, 70 communications dans des conférences internationales, 7 conférences internationales invitées et 11 communications en congrès nationaux soumis à lectures et actes, ainsi qu'à l'encadrement ou co-encadrement de 19 DEA/DESS/M2 et 5 thèses de doctorat dont 3 soutenues (taux d’encadrements 30%, 80% et 50%) et 2 en cours (taux d’encadrements 50% et 50%).

Une synthèse de mes activités d’enseignement, de recherche, d’administration et de responsabilités collectives depuis 1994 a été défendue le 20 juin 2013 devant un jury principalement composé de professeurs des Universités (CNU 63), un Professeur (CNU 28) et d’un Directeur de recherche (CNRS 08) lors de mon Habilitation à Diriger des Recherches intitulée « Charges électriques dans les matériaux, composants et systèmes pour les grands réseaux d’énergie ».

Rayonnement

International

Depuis le début de mes activités de recherches en 1994 jusqu’à aujourd’hui, j’ai eu l’opportunité de participer à de nombreux projets de recherche et contrats scientifiques associant des intervenants industriels et universitaires français et étrangers. Ces activités de recherche internationales ont été menées en collaboration étroite et durable avec la société Laborelec (Groupe SUEZ - Belgique). Mes travaux ont essentiellement porté sur l’étude de câbles de transport et de distribution de l’énergie électrique et d’alternateurs de puissance de centrales ; ils ont abouti en 2005 à un transfert technologique de la méthode de l’onde thermique sur le site de Linkebeek. D’autres collaborations ont été menées à travers des contrats avec les sociétés Nexans en Norvège et Alstom Grid en Angleterre (transfert technologique de la MOT sur câbles d’énergie « Grandeur réelle » - 1ère mondiale).

J’ai également mis en place d’autres collaborations de recherche plus « académiques » avec, dans un premier temps en 2009, l’Université du Québec (ETS) et l’IREQ sur l’étude et la caractérisation de matériaux polymères nanocomposites et, ensuite en 2012, l’Université de Bologne, IREQ et UPS Toulouse sur l’étude des propriétés physiques des époxy chargées de nanoparticules conductrices d’Oxyde de Graphène.

Depuis 2002, je suis membre expert français « techniques de caractérisation électrique des matériaux, composants et systèmes isolants du génie électrique » du comité d’études du Conseil International des Grands Réseaux Électriques (CIGRE) D1 (Matériaux et Technologies Émergentes) puis j’ai intégré, en 2011, le comité d’étude CIGRE B1 sur les "Câbles isolés de transport de l’énergie".

Ci –après sont listés les projets internationaux auxquels j’ai participé :

  • ARPEGE (1994-1998) : Réseau européen de 9 laboratoires universitaires (Allemands, Anglais, Espagnols, Français et Italiens) pour traiter des applications et des recherches sur les polymères en génie électrique.
  • BRITE EURAM « ARTEMIS » (1998-2002) : Projet européen sur la mise au point de techniques de diagnostic du vieillissement des câbles – Coordinateur des mesures sur sites – 9 partenaires européens académiques et industriels.
  • Projet CMCU (2001-2004) : projet avec la Tunisie (IPEI Sfax) – Études des charges d’espace dans les couches minces diélectriques – Transfert Technologique de la Méthode l’Onde Thermique en Tunisie.
  • Projet OTAN (2003-2005) : Vieillissement sous contraintes combinées des isolations électriques dans des conditions de conflits et sur les actions remèdes (5 équipes de recherche françaises, roumaines et italiennes)
  • Projet ECO-NET (2005-2007) : Estimation de l’état de vieillissement et de la réserve de durée de vie des isolations polymères par des mesures non destructives de CE (Universités françaises, roumaines et polonaises)
  • Projet VAMAS-TW33 (2008-2010) : Détermination des caractéristiques diélectriques des polymères nanocomposites – Co-leader Europe - Partenaires allemands, canadiens, français, italiens et japonais
  • Projet FP7 ANASTASIA (2009-2012): Mise au point de bandes isolantes enrubannées nanostructurés pour des applications de forte puissance – Responsable scientifique pour l’UM2 et coordinateur du Work Package – 360 k€ - (9 partenaires Européens et Canadiens)

Activités exercées dans des conseils, comités et revues scientifiques

  • Membre d’un Comité de sélection pour le recrutement d’un Maître de Conférences (63MC138 - 2013) ;
  • Membre du comité scientifique des conférences (Organisateur, chairman et/ou rapporteur de session).
    • IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP) (depuis 2009), tenue tous les ans en Amérique du Nord, et réunissant plus de 250 participants pour environ 200 contributions.
    • IEEE International Conference on Solid Dielectrics (ICSD) en 2013 – 200 participants.
    • Séminaire Européen sur les matériaux de câbles et d’accessoires HTCC JiCable HVDC’13 (2013) – 200 participants.
    • En 2009, J’ai été nommé secrétaire du Comité IEEE DEIS sur les nanodiélectriques qui traite du « Potentiel des nanodiélectriques pour améliorer les performances des systèmes » et réunit 17 membres internationaux. Ainsi, j’ai contribué à l’organisation de 2 Workshops, le premier en octobre 2012 (Montréal - Canada) et le second en octobre 2013 (Shenzhen - Chine).
    • Rapporteur régulier pour les revues internationales :
      • European Journal of Electrical Engineering (EJEE) (depuis 2004) ;
      • IEEE Transactions on Industry Application (IAS) (depuis 2005) ;
      • IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation (DEIS) (depuis 2005).
      • Éditeur invité d’un numéro spécial sur « les matériaux pour le génie électrique » de la revue EJEE, paru en juin 2012 suivi d’un numéro spécial de la revue IEEE TDEI sur « les électrets », paru en août 2012.