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Joris Steve

Joris Steve

Collaborateur-trice scientifique HES

Main skills

Powder Metallurgy

Additive manufacturing

Fuel cells (SOFC, PEMFC)

Electrolysis (SOEC, AEMEL)

Power-to-gas systems

Ammonia and Biogas conversion

Energy conversion and Storage

  • Contact

  • Research

  • Publications

Main contract

Collaborateur-trice scientifique HES

Phone: +41 58 606 93 06

Desktop: ENP.23.N114

HES-SO Valais-Wallis - Haute Ecole d'Ingénierie
Rue de l'Industrie 23, 1950 Sion, CH
HEI - VS
Institute
Institut Systèmes industriels
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Ongoing

Reliable green power generator based on a fuel flexible fuel cell techology (SOFC)

Role: Collaborator

Financement: Innosuisse

Description du projet :

Reliable green power generator based on a fuel flexible fuel cell techology

Research team within HES-SO: Joris Steve

Partenaires professionnels: Inergio Technologies SA

Durée du projet: 03.04.2023 - 31.10.2023

Statut: Ongoing

Démonstrateur P2G/CO2 (power-to-Gas / Capture CO2) sur le site du Campus Energypolis de Sion
AGP

Role: Collaborator

Requérant(e)s: VS - Institut Energie et environnement

Financement: Sogaval Société du gaz du Valais SA; OIKEN

Description du projet : Valoriser les surplus de production d'électricité issus de sources renouvelables est un aspect clé vers un approvisionnement énergétique de la Suisse plus durable. En effet, la réduction des émissions de gaz à effet de serre, la fermeture des centrales nucléaires et l'augmentation de la production électrique à partir de sources intermittentes engendrent un intérêt toujours plus grandissant pour le power-to-gas. Ce pro- cessus permet de transformer l'électricité en hydrogène par électrolyse, puis par la réaction de méthana- tion, l'hydrogène en méthane. Le power-to-gas est l'unique option à ce jour permettant un stockage d'énergie à grande échelle et à long terme (stockage saisonnier). Il permet également de renforcer la sécurité d'approvisionnement tant en électricité qu'en gaz en faisant interagir les réseaux de distribu- tion énergétique. Le power-to-gas est un mouvement en route. La HES-SO Valais qui plus est le campus Energypolis se doit de ne pas manquer l'opportunité de se positionner comme un acteur clé de cette technologie de con- version et stockage d'énergie. Un nouveau programme de soutien de l'Union Européenne pour les sept prochaines années est actuellement mis en place. Actuellement, aucune autre HES en Suisse romande n'est bien positionnée. Le regroupement de deux entités académiques, la HES-SO Valais et l'EPFL Va- lais, sur un même site géographique et une infrastructure de pointe, leur offre un avantage compétitif considérable.

Research team within HES-SO: Bruchez Yvan , Dorsaz Cédric , Joris Steve , Page Jessen , Cheseaux Claude

Partenaires académiques: VS - Institut Energie et environnement

Durée du projet: 01.12.2022 - 31.12.2025

Montant global du projet: 200'000 CHF

Statut: Ongoing

Robust heat flux sensor for high temperature industrial processes

Role: Main Applicant

Financement: Innosuisse

Description du projet :

The field of this project is high temperature industrial processes, which represent an important share of overal energy consumption (ca.10%), usually show high energy cost for the concerned industries (>1'000'000 CHF/yr on a single site), but also have an impact on their CAPEX and OPEX in terms of equipment operating at high temperature and its maintenance/lifetime/hazards.  Insufficient monitoring or control of processes, and ageing or failing equipment lead to substantial waste heat losses for these producers/users. Reducing these heat losses will improve their competitiveness by reducing their energy bills and maintenance/repair costs, and could increase their productivity, efficiency, and product quality. In addition, this will often limit CO2 emissions and other environmental impact of these industries, for which they may be taxed, hence saving tax cost. High temperature industrial processes are not often optimized because of their complexity, uneasy access, unavailability of direct loss measurements and lack of predictive maintenance. From experience, substantial energy savings (10-20%) can be achieved by relatively simple low cost measures - if properly located.

The aim of this project is to help these industries by proposing a novel heat flux sensor capable of being deployed in challenging industrial environments (200-1000°C). In addition to temperature indication only, a heat flux sensor directly quantifies heat loss (in W/m2) at locations of interest in the high temperature process, opening the way to better process monitoring and process control, to the surveillance/detection of potential defects or anomalies, and to conditional maintenance of equipment or component parts.

We see applications in: steel making, metallurgical foundries; glass making; cement; chemical plants, oil and gas industry; incineration; power plants; engines, heat exchangers, furnaces, gas turbines, boilers, etc.; even the watch industry expressed interest in such sensors.

Research team within HES-SO: Rey-Mermet Samuel , Joris Steve , Sallem Haifa , Cinna Adeline

Partenaires académiques: Jan Van Erle, EPFL-Sion

Partenaires professionnels: Confidentiel, Confidentiel Suisse

Durée du projet: 01.03.2021 - 28.02.2023

Montant global du projet: 700'000 CHF

Statut: Ongoing

Completed

P3 - Prime soutien 2023 - Innosuisse - Cost-effective ammonia cracking
AGP

Role: Collaborator

Requérant(e)s: VS - Institut Systèmes industriels

Financement: HES-SO Rectorat

Description du projet : P3 - Prime soutien 2023 - Innosuisse - Cost-effective ammonia cracking

Research team within HES-SO: Girard Hervé , Ellert Christoph , Joris Steve , Soutrenon Mathieu , Schopfer Mathieu

Partenaires académiques: VS - Institut Systèmes industriels

Durée du projet: 01.07.2023 - 30.06.2024

Montant global du projet: 7'500 CHF

Statut: Completed

Vers un cracking de l'ammoniac en hydrogène avec un matériau durable pour le transport routier. ACT
AGP

Role: Collaborator

Requérant(e)s: VS - Institut Systèmes industriels

Financement: HES-SO Rectorat; neology

Description du projet : Neology est une jeune entreprise travaillant sur des solutions pour la conversion de l'ammoniac (NH3) en hydrogène (H2), afin d'utiliser celui-ci comme vecteur énergétique et décarboner l'économie du transport lourd. Aujourd'hui, Neology se concentre sur le développement d'un système « on-board » pour camion électrique alimenté par une pile à combustible. Solution intégrée de Neology : un cracker NH3 combiné avec une membrane de filtration La thermo-conversion de l'ammoniac en hydrogène et azote se fait à haute température >900°C. Des catalyseurs sont utilisés pour réduire la température de cette réaction ; le ruthénium a été identifié comme le catalyseur monométallique le plus actif[1]. Pour coupler un cracker avec une pile à combustible (PEMFC), l'hydrogène doit être séparé de l'azote. Avec un encombrement réduit, la solution la plus mature technologiquement est constitué d'une membrane de palladium. Ruthénium et palladium appartiennent aux platinoïdes, des métaux rares et chers. Leur extraction a un gros impact environnemental. Les principaux pays producteurs sont la Russie et l'Afrique du Sud. La transition énergétique se traduit par une augmentation de leur demande avec un risque de pénurie à moyen terme. En ajoutant, la guerre en Ukraine et la crise de la chaîne d'approvisionnement post-Covid, le futur de Neology est incertain sans alternatives à ces matériaux. Le modèle économique de Neology n'est pas viable avec utilisant le ruthénium comme catalyseur et de palladium pour la filtration. Par rapport à ses concurrents, Neology souhaite se démarquer en basant ses développements produits sur des alternatives durables à ces matériaux. Neology est en contact avec l'EMPA pour substituer le palladium par du vanadium. Pour le ruthénium, les alternatives les plus prometteuses comme catalyseur pour la décomposition du NH3 sont des imides alcalins, notamment le lithium imide Li2NH. Le lithium est abondant et 250x moins cher que ruthénium dont le cours est passé de 10 à 15 kCHF, avec un pic à 25kCHF entre 2021 et 2022. Le prix du lithium imide, se situe lui autour de 1 kCHF/kg. Valider ce choix est le but du projet.

Research team within HES-SO: Joris Steve , Berthouzoz David , Baer Edouard , Soutrenon Mathieu , Aguiar E Silva Filipe , Rodriguez Arbaizar Mikel

Partenaires académiques: VS - Institut Systèmes industriels

Durée du projet: 01.04.2023 - 10.05.2024

Montant global du projet: 55'000 CHF

Statut: Completed

Echangeur de chaleur 3D pour piles à combustible à oxydes solides (SOFC/SOEC). EC3DP
AGP

Role: Collaborator

Requérant(e)s: VS - Institut Systèmes industriels, Sallem Haifa, VS - Institut Systèmes industriels

Financement: HES-SO Rectorat; Celectis Sàrl

Description du projet : La crise énergétique actuelle force la société Celectis Sàrl, active dans le domaine des énergies renouvelables, principalement dans les piles à combustible, l'électrolyse et toutes les activités connexes impliquant l'utilisation/production d'hydrogène, à améliorer le rendement énergétique de ses systèmes de pile à combustible et électrolyse haute température (SOC) : - d'une part du fait de l'augmentation du prix du gaz qui impacte directement sur le coût d'exploitation de ces systèmes en mode pile à combustible (SOFC). - d'autre part du fait de l'augmentation du prix de l'électricité en mode électrolyse qui impacte directement le prix final du kilogramme d'hydrogène produit. Un autre point critique est également la valorisation de la chaleur émise par ces piles à combustible du fait de leur haute température de fonctionnement (650-850°C) impactant directement le rendement global de ces co-générateurs. L'utilisation de matériaux réfractaires et d'éléments d'alliage (à base de nickel p.ex. Inconel 625), spécifiques aux conditions opératoires difficiles, dans la conception de ces systèmes est une problématique. La montée en puissance des batteries des véhicules électriques a accéléré cette demande ces dernières années, ce qui requiert des efforts d'adaptation pour réduire son utilisation. L'innovation apportée par la HEI-VS va permettre d'augmenter (5-10%) le rendement énergétique des systèmes de pile à combustible par une meilleure gestion du bilan thermique et donc d'utiliser de manière plus rationnelle le combustible (gaz naturel). D'autre part, cette innovation technologique va permettre d'utiliser/valoriser la chaleur excédentaire émise par les piles à combustible de manière beaucoup plus efficace mais aussi de diminuer la matière (alliages de nickel) utilisée dans ces systèmes et ainsi directement participer à une meilleure gestion des ressources. En résumé, ce projet permettra à la société Celectis Sàrl de se développer d'avantage impliquant directement la création d'emploi à haute valeur ajoutée pour les ingénieurs de la HEI-VS et des retombées économiques directes en Valais et plus généralement en Suisse.

Research team within HES-SO: Joris Steve , Berthouzoz David , Aguiar E Silva Filipe , Sallem Haifa

Partenaires académiques: VS - Institut Systèmes industriels; Sallem Haifa, VS - Institut Systèmes industriels

Durée du projet: 01.04.2023 - 01.04.2024

Montant global du projet: 55'000 CHF

Statut: Completed

Study on system requirements of an ammonia cracking system to supply hydrogen to a fuel-cell - No 63293.1 INNO-ENG
AGP

Role: Collaborator

Requérant(e)s: VS - Institut Systèmes industriels, Ellert Christoph, VS - Institut Systèmes industriels

Financement: Innosuisse

Description du projet : Neology, together with HES-SO Valais-Wallis, has developed a proof of concept of the ammonia cracking device, taking benefit from their technical expertise in chemical and mechanical engineering, as well from their facilities to develop, test and validate our concept. This led to the realization of a first cracker setup to perform ammonia decomposition to hydrogen. HES-SO expertise in the development of catalytic reactors, electronics and fuel cell integration will enable us to combine the cracker to a lab-scale PEM fuel cell to demonstrate our device capability to deliver hydrogen feedstock to the fuel-cell. That would enable us to confirm the proposed value-chain from ammonia to electricity. HES-SO will further develop and evaluate the catalytic cracking reactor and the system for liquid and gas, quality and thermal control and system integration. The workshop at HES-SO will realize the required test bench, combining our first cracker with small scale PEM fuel cell.

Research team within HES-SO: Ellert Christoph , Joris Steve , Martinet David , Soutrenon Mathieu , Neuenschwander Caryl

Partenaires académiques: VS - Institut Systèmes industriels; Ellert Christoph, VS - Institut Systèmes industriels

Durée du projet: 20.07.2022 - 19.01.2023

Montant global du projet: 15'000 CHF

Statut: Completed

Heat flux sensor for industrial application - GRS-018/19
AGP

Role: Collaborator

Requérant(e)s: VS - Institut Systèmes industriels

Financement: Gebert Rüf Stiftung

Description du projet : The main objective of this project, built upon what I developed in my bachelor thesis, is the realisation of a prototype sensor that measures heat flux, for application in an industrial environment where the monitoring or control of heat flux, or the knowledge of the magnitude of heat losses, in various processes/equipments are of interest to industrial companies. We see numerous applications: in metallurgy, cement and glass making, chemical industry, incineration, power plants, boilers, engines, turbines, heat exchangers,' Heat flux measurement gives more information than simple temperature measurement, e.g. it can detect fouling of equipment which a temperature indication can not do effectively. These industries are targeted to be our clients and therefore are also seen as our focal implementation partners to test and evaluate the sensor prototypes while they are under development. This will make us adapt the product(s) to the specific needs of these industries and so adapt us to the market. Thanks to such sensors and the information they provide, the listed industrial companies and site exploiters will be able, if not only to simply monitor, also to improve the efficiency, or the lifetime, or the control, of their processes or components, and so save expenses on equipment maintenance or replacement, or on their energy consumption bills (electricity, fuel), which may be substantial. Once IP has been validated and secured, and the market potential confirmed by an analysis study, the aim is to create a company that advertises the product and proposes sales on a worldwide basis. In addition to selling the sensors, the company will also offer the consultancy services in placing them at the customer site, taking and processing the data and provide advice to the customer to improve their processes or devices, or suggest maintenance intervals, with the purpose of making them save money.

Research team within HES-SO: Joris Steve , Berthouzoz David , Baer Edouard , Rey-Mermet Samuel

Partenaires académiques: VS - Institut Systèmes industriels

Durée du projet: 01.03.2019 - 30.09.2022

Montant global du projet: 150'000 CHF

Statut: Completed

Nouvelle génération d'implants en alliages de Nitinol développés par la fabrication additive - P2
AGP

Role: Collaborator

Requérant(e)s: VS - Institut Systèmes industriels

Financement: HES-SO Rectorat

Description du projet : Les alliages de Nitinol (Ni50-Ti50) ont trouvé leur niche dans l'industrie médicale depuis les années 90. Les implants cardio- ou cérébro-vasculaires (stents, cathéters) représentent plus de 50% de ce marché et les guide-fils environ 10%. Parmi les applications récentes, on notera un intérêt grandissant du secteur orthopédique pour le Nitinol dans la réalisation d'agrafes, de vis osseuses et autres implants. L'alliage y est utilisé pour ses caractéristiques spécifiques que sont la mémoire de forme et la superélasticité (10 x supérieure à celle des métaux traditionnels). La température de transition entre ces deux propriétés doit être adaptée à la fonction recherchée. Le Nitinol possède une bonne résistance à la corrosion, un module de Young proche de celui de l'os et est biocompatible [1]. La fabrication additive (AM) est une technologie de mise en forme qui permet la fabrication directe de composants métalliques complexes. L'AM permet de réaliser des géométries 3D (pièces creuses, trous incurvés, structures en filigrane) impossibles à produire par usinage traditionnel. Le développement de la technologie de fusion sélective par laser (SLM) a permis la fabrication de pièces métalliques très denses, pratiquement sans porosités mais avec une rugosité élevée, particulièrement sur les peaux inférieures des pièces. Le Nitinol est habituellement usiné par découpe laser. Sa température de transformation est très sensible à sa composition. Un contrôle strict de la composition de l'alliage lors de la production par SLM, comme lors l'usinage laser, est donc impératif [2]. Notre projet vise à démontrer le potentiel de la technologie SLM pour la fabrication des implants en Nitinol ayant des fonctionnalités nouvelles. Il s'agit tout d'abord de pièces de forme complexe, telles que stents et cathéters. Pour ce faire, les conditions opératoires du SLM seront optimisées pour produire des implants superélastiques ou à mémoire de forme et garantir la composition de l'alliage en évitant l'évaporation du nickel pendant l'impression. Un premier post-traitement de surface (polissage, électropolissage) sera appliqué pour améliorer la qualité de surface. Ce traitement est nécessaire pour éliminer les particules de poudre faiblement attachées à la surface des pièces. Idéalement, il devrait être appliqué à toute la pièce mais peut être localisé là où la rugosité est plus importante. Après ce premier traitement, le dépôt d'un revêtement spécifique sera appliqué. Ce traitement visera une fonction particulière, par exemple la radio-opacité (fine couche de Ta) ou/et la meilleure biocompatibilité (fine couche de TiO2). Ces revêtements seront déposés par les technologies de dépôt sous vide (PVD, ALD) et devront résister à la déformation superélastique [3]. Finalement la biocompatibilité des pièces revêtues sera testée. Le but ultime de ce projet est de développer des implants en Nitinol dotés de propriétés nouvelles et fabriqués en utilisant une palette de procédés innovants afin de proposer aux acteurs industriels une alternative viable pour la production de ce type de pièces.

Research team within HES-SO: Journot Tony , Farine Brunner Sophie , Vermot Eddy , Joris Steve , Banakh Oksana , Cséfalvay Catherine , Gay Pierre-Antoine , Ramseyer Stephan , Bisoffi Fabrice , Pralong Jean , Rieille Constant , Schnyder Bruno , Griessen Florian , Montandon Pierre-Alain , Rey-Mermet Samuel , Jerjen Livia

Partenaires académiques: VS - Institut Systèmes industriels; Ingénierie des surfaces

Durée du projet: 01.01.2020 - 31.07.2022

Montant global du projet: 231'500 CHF

Statut: Completed

Banc de test Ammoniac
AGP

Role: Collaborator

Requérant(e)s: VS - Institut Systèmes industriels

Financement: Neology Sàrl

Description du projet : Your request regarding the test of catalysts for ammonia cracking. ' Project description The main goal of the project is to build a mobile test bench to test catalysts for ammonia cracking. The description of the test bench can be found in the publication from Hazel et al. 2016[1]. The test bench is designed to be modular, for future integration on the same platform of a control system, a larger reactor, and a fuel cell. The test bench will be tested with a catalyst (Li2NH); this catalyst will be synthetized and characterized within the project. Additionally, a feasibility study will be conducted to define the system requirements for the reactor installed on the test bench, and to define the system requirements and propose concepts for a larger ammonia cracker coupled a 2.4kW or 1 OOkW fuel cell. ' Project tasks and planning, project end 12 week after signature The project is split into 2 work packages: WP1: design and assembly of the test bench, commissioning of the test bench without the 1-JGC, tasks 1-9, end with MS1 WP2: feasibility study and ammonia cracking with 1-JGC measurements, tasks 10-12, start after MS1 The project planning is dependent on the reception of a micro gas chromatograph (1-JGC) unit for the complete commissioning of the test bench (T12). The 1-JGC will be used to quantify the ammonia content after the reactor. After assembly (T7) the test bench will be tested with a FTIR to run one validation test. The results of this preliminary test will be discussed in a milestone meeting (MS1 ). A decision to continue/stop the project will be made at this milestone meeting.

Research team within HES-SO: Girard Hervé , Ellert Christoph , Joris Steve , Berthouzoz David , Martinet David , Soutrenon Mathieu , Gay Thibault , Lattion Corentin , Karve Vikram

Partenaires académiques: VS - Institut Systèmes industriels

Durée du projet: 15.04.2022 - 31.07.2022

Montant global du projet: 62'000 CHF

Statut: Completed

2023

Design and manufacture by SLM of a heat exchanger for SOFC
Scientific paper
Conception et fabrication par SLM d'un échangeur de chaleur pour piles SOFC

Joris Steve, Sallem Haifa, Aguiar E Silva Filipe, Peter Hugh Middleton

Advances In Additive Manufacturing (AIAM'2023), 2023

Summary:

The objectives of this project are to design and manufacture, using 3D printing, a highly energy-efficient multi-channel hydrogen heat exchanger that will both improve the efficiency of the energy conversion chain in the fuel cells and high-temperature electrolysis (SOFC / SOEC) developed by Celectis Sàrl, and recover the excess heat emitted by these systems. The approach consists of designing a multi-channel heat exchanger with an architectural structure, then optimising its geometry by means of a CFD analysis of the flow rates, and finally producing a prototype in refractory alloy (INCONEL ® Alloy HX) by additive manufacturing using SLM (Selective Laser Melting). This manufacturing technique gives considerable design freedom (e.g. TPMS structure) and will enable high exchanger compactness to be achieved, thermal inertia to be reduced and exchanger designs to be adapted to environmental constraints. The printed heat exchanger will be characterised in the laboratory in order to assess its performance and tightness. This study will also help to understand and determine the limitations of the SLM process and the advantages of this manufacturing technology for this type of application.

2021

Performance Analysis of Ammonia in Solid Oxide Fuel Cells
Scientific paper

Joris Steve, Suhas Nuggehalli Sampathkumar, Jan Van herle, Peter Hugh Middleton, Xiufu Sun, Henrik Lund Frandsen

The Electrochemical Society, 2021 , vol.  103, no  1

Link to the publication

Summary:

Ammonia (NH3) has 17.8 wt% hydrogen and is easily liquified at 25°C and 8 bar pressure. Ammonia is carbon-free and can be produced sustainably at large scale and low cost. Solid oxide fuel cells generate electricity with efficiencies greater than 60% and can use ammonia as fuel without the need for external cracking. In this work, a single-cell SOFC was characterized using the in-situ ammonia decomposition reaction (Int-ADR) and compared with the ex-situ ammonia decomposition reaction (Ext-ADR), and pure hydrogen (H2 100%), between temperatures of 750°C and 850°C. Constant load tests performed at 800°C with 84% fuel utilization reached the LHV efficiency of 58%. The open-circuit voltage (OCV) of Int-ADR was similar to that of Ext-ADR, confirming that usage of ammonia as fuel in the Ni-YSZ anode involved two steps (i) ammonia decomposition into nitrogen and hydrogen and (ii) electrochemical conversion of hydrogen into steam.

Achievements

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