Soutenance mémoire
LA MICRO-COGENERATION
DEFINITION DE LA MICRO-COGENERATION
Les principes technologiques de la cogénération sont connus et maîtrisés de longue date. Ainsi, au début du XXe siècle, de nombreuses cogénérations alimentaient des maisons et des sociétés en chaleur et en électricité (Pehnt et al., 2006). Dans le paragraphe précédent, nous avons discuté du faible rendement global de la production centralisée . Un moyen simple d’augmenter ce rendement consiste à valoriser l’énergie thermique non transformée en énergie mécanique dans les cycles thermodynamiques moteurs à la base des centrales thermiques ; c’est la cogénération. Elle évite la dissipation d’une partie de l’énergie thermique sous forme de pertes, sans pénaliser le rendement électrique ou mécanique du cycle. Ces pertes sont en partie valorisables sous forme d’énergie thermique, la proportion ainsi valorisée dépendant du niveau de température désiré. Les centrales de cogénération mettent à profit ce principe, en valorisant la chaleur produite lors de la production d’électricité à destination d’un réseau de chaleur ou d’un process industriel. De nombreux auteurs ont proposé une définition de la cogénération (voir, par exemple, ASHRAE, 2000 ou Pehnt et al., 2006). Nous retenons la définition suivante, adaptée des auteurs cités : La cogénération est la production simultanée d’énergie électrique ou mécanique et d’énergie thermique utilisable (chaleur et/ou froid), à partir d’une source unique d’énergie.
La micro-cogénération est une cogénération de très petite puissance, adaptée à une installation couplée au réseau basse tension. En France, la limite de raccordement est de 36 kW pour le « tarif bleu » (destiné aux particuliers), ce qui donne la limite des microcogénérations. La Directive 2004/8/EC fixe la limite de la micro-cogénération à 50 kWél. Cependant, nous proposons, à la suite de Pehnt et al. (2006), de limiter le cadre de la microcogénération aux puissances inférieures à 15 kW. Ainsi, la définition de la microcogénération retenue est la suivante :
La micro-cogénération est la génération simultanée de chaleur, ou de froid, et d’électricité dans un bâtiment, par un module unique d’une puissance maximale de 15 kWél. La chaleur est consommée localement et l’électricité peut être consommée localement ou revendue au réseau.
Les principaux arguments en faveur de la limite à 15 kWél sont les suivants :
• Les cogénérations inférieures à 15 kWél sont à destination de bâtiments uniques, comme des maisons individuelles, des logements, des petits bâtiments tertiaires (hôtels, bureaux, chambre d’hôtes, maisons de retraite, etc.)
• Les systèmes de petite puissance (<15 kWél) diffèrent des autres cogénérations dans les contrats associés, le mode de conduite de l’installation, le comportement du consommateur et la distribution électrique. Ils peuvent être raccordés directement au réseau électrique (Simader et al., 2006). Les barrières à la mise en place de tels systèmes sont plus importantes que pour les autres cogénérations . L’électricité est le co-produit, la finalité essentielle restant la couverture des besoins thermiques du bâtiment.
Les principes technologiques à l’origine de la micro-cogénération ont été posés aux XVIIIe et XIXe siècles avec l’invention des moteurs à vapeur et Stirling respectivement. Cependant, les technologies matures sont apparues sur le marché ces dernières décennies, et plusieurs technologies font actuellement l’objet d’attention en recherche et développement, comme les moteurs à combustion interne, les moteurs Stirling, les cycles de Rankine, les turbines à gaz ou les piles à combustible. Ces technologies sont principalement destinées à être implantées dans les secteurs résidentiel et tertiaire.
TECHNOLOGIES DE MICRO-COGENERATION
Le moteur à combustion interne
Le moteur à combustion interne produit de l’énergie mécanique à partir de la détente des gaz d’une combustion ayant lieu dans une chambre intégrée au moteur. Pour les applications de micro-cogénération, le moteur entraîne un générateur électrique et la chaleur provenant des gaz d’échappement, de l’eau de refroidissement et de l’huile est récupérée. On distingue deux catégories de moteurs à combustion interne : Les moteurs à allumage par compression, fonctionnant selon le cycle thermodynamique de Diesel, peuvent utiliser du biodiesel, de l’huile de colza, du fioul domestique (FOD) ou du fioul lourd comme combustible. Les moteurs à allumage par étincelle, décrivant le cycle thermodynamique de Otto ou de Beau de Rochas , utilisent préférentiellement du gaz naturel ou du biogaz, mais peuvent fonctionner avec un gaz de pétrole liquéfié (GPL – propane ou butane) ou avec de l’essence. Ils présentent un rapport électricité/chaleur inférieur aux cycles de Diesel, mais un rendement énergétique global supérieur (Simader et al. 2006). Les moteurs à combustion interne de puissance inférieure à 30 kWél sont souvent à cycle de Beau de Rochas, i.e. à allumage par étincelle (Knight & Ugursal, 2005).
• Avantages et inconvénients
La technologie de moteur à combustion interne est maîtrisée de par son omniprésence dans la vie quotidienne, et notamment dans le secteur de l’automobile. Ces moteurs ont un rapport énergie mécanique/chaleur élevé. Les inconvénients sont le niveau sonore généré par son fonctionnement, le besoin de maintenance important et le niveau élevé d’émissions de polluants.
Cycle de Rankine Organique (ORC)
Le cycle de Rankine organique est une variante du cycle de Rankine, qui n’en diffère pas sur le plan thermodynamique (le cycle est donc identique à celui de la Figure I. 15), mais concernant le fluide de travail, qui est un composé organique à haute masse moléculaire, par exemple à base de silicone. La vapeur de fluide organique se détend dans une turbine et est condensée dans un échangeur par l’eau de refroidissement. Le condensat est pompé dans l’évaporateur, qui ferme ainsi le cycle. En variante au cycle de Rankine classique, un échangeur récupérateur (ou économiseur) permet l’échange d’énergie thermique entre le fluide à la sortie de la pompe et le fluide à la sortie de la turbine, réduisant ainsi les quantités d’énergie mises en jeu à la chaudière et au condenseur. La source chaude est un échangeur de chaleur entre ce fluide de travail et une huile thermique, cette dernière servant d’intermédiaire entre la chambre de combustion et le fluide de travail, pour éviter les montées en puissance non contrôlées.
• Avantages et inconvénients
Les cycles de Rankine organiques permettent d’exploiter avec une bonne efficacité des sources chaudes de température faible pour produire de l’électricité dans une large gamme de puissance. Ils requièrent peu de maintenance, ont un fonctionnement silencieux et un bon rendement à charge partielle. Néanmoins, les applications existantes sont de puissances élevées, principalement pour de la cogénération biomasse ou géothermique (Simader et al., 2006).
Moteur à Vapeur
Le moteur à vapeur est alimenté directement par la vapeur produite par un générateur. Le cycle thermodynamique est également celui de Rankine . La détente a lieu non pas dans une turbine, mais dans les chambres situées de part et d’autre d’un piston. Celles-ci sont reliées alternativement à l’alimentation en vapeur haute pression puis à l’échappement par le biais d’un distributeur, générant ainsi un mouvement alternatif du piston.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I : Contexte, enjeux et objectifs
1. Contexte énergétique
1.1. Contexte énergétique mondial
1.2. Contexte énergétique national
1.3. Production et distribution d’électricité dans le monde
2. La micro-cogénération
2.1. Définition de la micro-cogénération
2.2. Analyse énergétique et exergétique
2.3. Technologies de micro-cogénération
2.4. Développement des technologies de micro-cogénération
2.5. Marché de la micro-cogénération
2.6. Incitations à l’utilisation de la micro-cogénération
2.7. Verrous à l’introduction sur le marché français de systèmes de micro-cogénération
2.8. Méthodologie de choix des technologies
2.9. Vers un consommateur-producteur acteur ?
2.10. Typologie des installations de micro-cogénération
3. Problématique de la thèse
4. Plan du mémoire
5. Bibliographie
Chapitre II : Modélisation de systèmes de micro-cogénération
Introduction
1. Elaboration et classifications des modèles
1.1. Approches de modélisation
1.2. Dépendance au temps des modèles
1.3. Classification des modèles
1.4. Caractéristiques attendues du modèle de micro-cogénération
2. Etat de l’art des modèles de micro-cogénérateurs
2.1. Annexe 42 de l’AIE
2.2. Thiers, Aoun, & Peuportier (2008)
2.3. Modèle « Règlementation thermique »
2.4. Nécessité de création d’un nouveau modèle
2.5. Adaptabilité à d’autres combustibles
3. Etat de l’art des modèles de ballon de stockage thermique
3.1. Modèle à volumes variables « Plug Flow »
3.2. Modèle multicouches
3.3. Modèle de stockage brassé
3.4. Modèle zonal
3.5. Bilan synthétique des modèles de ballon de stockage thermique
3.6. Choix d’un modèle multicouches
4. Modèle de micro-cogénérateur développé
4.1. Cahier des charges et objectifs attendus
4.2. Démarche et hypothèses retenues pour la modélisation
4.3. Développement du modèle
4.4. Organigramme de résolution du modèle
4.5. Conclusions
5. Bibliographie
Chapitre III : Etude expérimentale d’un micro-cogénérateur
1. Etude expérimentale
1.1. Etat de l’art des essais de micro-cogénérateurs
1.2. Micro-cogénérateur à moteur Stirling Hybris Power
2. Mise en place d’un banc d’essais
2.1. Objectifs
2.2. Description du banc d’essai
2.3. Analyse des chaînes de mesure
3. Conclusions
4. Bibliographie
Chapitre IV : Identification et validation du modèle de micro-cogénérateur
1. Identification des paramètres du modèle de micro-cogénérateur
1.1. Protocole expérimental et méthodologie détaillée d’identification des paramètres
1.2. Identification des paramètres sur le moteur Stirling de la Micro-cogénération
Hybris Power
1.3. Méthodologie simplifiée d’identification des paramètres
2. Validation du modèle de micro-cogénérateur
2.1. Validation comparative avec les modèles préexistants
2.2. Validation du modèle par comparaison avec l’expérimental
2.3. Validité du modèle en cas d’adoption de la procédure simplifiée d’identification
des paramètres
3. Conclusion
4. Bibliographie
Chapitre V : Optimisations multicritères de systèmes de micro-cogénération
1. Développement de la plate forme de modélisation et d’optimisation de systèmes de micro-cogénération couplés aux bâtiments
1.1. Systèmes de micro-cogénération
1.2. Philosophie de développement de la plate-forme
1.3. Modélisation de la production
1.4. Modélisation de la distribution
1.5. Modélisation des consommations
2. Résultats de simulations et d’optimisations
2.1. Système modélisé
2.2. Les systèmes de micro-cogénération sont-ils adaptés aux bâtiments basse
énergie ?
2.3. Optimisation de systèmes de micro-cogénération
3. Bibliographie
Conclusions
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