Système hybride « Biomasse-solaire »

Développer des modèles numériques pour l’ensemble des sous-systèmes

La conception du modèle numérique qui régit et prédit respectivement, le fonctionnement et les performances du système hybride est réalisé en modélisant l’ensemble de ces sous-systèmes. Les modèles numériques développés pour l’ensemble des sous-systèmes sont à la fois simples, précis et suffisamment rapides pour permettre l’étude et l’optimisation du système hybride au complet. Vu la complexité du système hybride et le nombre important de paramètres qui influent sur les performances de ce système hybride, l’accent est particulièrement mis sur les paramètres clés associés au fonctionnement du cycle turbine à air chaud tel que la température d’entrée de la turbine à air chaud, la température de l’air à l’entrée du compresseur, le taux de compression et le type de biomasse de façon à mettre en évidence leurs influences sur le comportement et les performances du système hybride.
Par la suite, un programme de calcul a été développé pour évaluer les modelés numériques en utilisant le logiciel Microsoft Excel. Ce programme permet d’intégrer le logiciel Xsteam 2.6, qui permet de déterminer les différents états de l’eau et de la vapeur dans le cycle Rankine. Les données météorologiques du site d’implantation du système pour les différents mois de l’année tels que la température extérieure, la pression atmosphérique et la vitesse du vent sont fournies par le logiciel Reetscreen international , qui à son tour s’intègre dans l’élaboration du programme de calcul développé.

Collecteurs thermiques solaires

Les collecteurs thermiques d’énergie solaire sont une forme d’échangeurs de chaleur qui permettent de convertir l’ énergie de la radiation du soleil en une énergie thermique qui par la suite est exploitée par différents supports de production d ‘énergie. La composante majeure de tout système solaire est le collecteur solaire. Le collecteur solaire de type cylindra-parabolique est un dispositif qui absorbe le rayonnement solaire entrant, le converti en chaleur. Cette dernière est transférée à un fluide circulant à l’intérieur du tube récepteur du collecteur solaire. Ce fluide peut être de l’huile, de l’eau ou encore de l’air. Selon les applications, l’énergie thermique récupérée par le fluide est acheminée vers des échangeurs ou des réservoirs de chaleur.
Afin d’améliorer les performances des collecteurs cylindra-parabolique , ces derniers peuvent être orientés dans la direction est-ouest en suivant le soleil du nord au sud ou bien orientés nord-sud en suivant le soleil d ‘est en ouest, grâce à d es mécanismes de suivi.

Turbines à vapeur

Les turbines à vapeur sont sans doute la technologie la plus répandue dans les procédés de cogénération. Elles sont principalement utilisées dans les grandes et moyennes installations, leurs puissances varient de 500 KW à 80 MW .
Cependant, les turbines à vapeur ne sont pas rentables dans les petites installations, car les systèmes de cogénération exploitants des turbines à vapeur produisent généralement plus de chaleur que d’électricité, en effet, le ratio chaleur-électricité varie de 3:1 à 10:1. Il est déterminé par les besoins thermiques du site. Les systèmes de cogénération à turbine à vapeur produisent de la vapeur dans une chaudière, par la suite cette vapeur se détend dans une turbine pour produire de l’énergie mécanique. Cette dernière entraine un générateur électrique pour générer de l’électricité. Dans les centrales d’usine ou de chauffages urbains, les pressions courantes d’entrée des turbines sont comprises entre 25 et 80 bars , et les surchauffes entre 280 et 500 °C. Les rendements isentropiques des turbines varient de 55 % pour les machines simples et peu coûteuses à 85 % pour les machines perfectionnées à grand nombre d ‘étages. Le cycle de turbine à vapeur peut être modélisé par le cycle de Rankine. La chaleur récupérée dans le procédé peut servir dans des procédés industriels de séchage de bois, ou peut être réutilisée dans le circuit en faisant une régénération.

Turbines à air chaud

Les turbines à air chaud sont en réalité des turbines à gaz. Cette technologie a été développée dans le but d’éliminer l’une des principales limites des turbines à gaz qui est faire fonctionner la turbine à gaz avec des fluides moteurs propres. En effet l’utilisation d’un fluide moteur propre tel que l ‘air par exemple permet d’éviter la détérioration des aubes de la turbine par les phénomènes d’érosion, de dépôts et de corrosion. La technologie turbine a air chaud permet d’utiliser des combustibles solides comme la biomasse, le charbon et les déchets ménagers sans avoir recours à la conversion des combustibles en liquide ou en gaz (pyrolyse ou gazéification). Cela dit, pour la biomasse dont le taux d ‘humidité est supérieur à 50 % les rendements du système sont très faibles. De ce fait l’ intégration d’un séchoir en amont de la chambre de combustion permet d’améliorer les performances du système .
La problématique des turbine à air chaud réside dans le fait que les gaz de combustion qui traversent l’échangeur de chaleur détériorent ce dernier par les phénomènes d’érosion, de dépôts et de corrosion, Cependant, traiter le problème au niveau de l’échangeur de chaleur serait moins onéreux que le traiter au niveau de la turbine.
Les performances des turbines à air chaud dépendent de la température réalisable à l’entrée de la turbine à air chaud. La technologie actuelle permet d’ atteindre des températures qui se situent entre 700 oc et 750 oc à l’entrée de la turbine .

Combustion de la biomasse

La biomasse peut être convertie en chaleur ou en électricité soit par des procédés thermochimiques soit par des procédés biochimiques. Généralement, les procédés biochimiques consistent à la fermentation de la biomasse à des fins de production d’alcool ou bien la digestion anaérobique pour la production de méthane ou d’autres gaz. Dans le cadre de ce projet de recherche, il s’agira particulièrement des procédés thermochimiques qui comptent quatre modes de conversion : la pyrolyse, la gazéification, la liquéfaction et la combustion directe qui est sans doute la technologie la plus avancée et la plus utilisée .
La combustion est un phénomène qui fait appel à de nombreux aspects physiques et chimiques assez complexes. La nature de la combustion dépend généralement du type de combustible et du domaine d’application de la combustion. Généralement, le processus de combustion est en continu ou bien par lots. L’alimentation en comburant (air) peut être forcée ou bien naturelle (poêles à bois traditionnels). La combustion de la biomasse se produit en quatre étapes bien distinctes, le séchage, la pyrolyse, la gazéification et la combustion.

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Table des matières

Introduction
1. Contexte et problématique
2. Objectifs 
2.1 Objectifs généraux
2.2 Objectifs spécifiques
3. Méthodologie et démarche scientifique 
3.1 Évaluation du potentiel de la ressource renouvelable mise en œuvre
3.2 Développer des modèles numériques pour l’ensemble des sous-systèmes
3.3 Faire des simulations numériques à l’aide du modèle numérique global développé
3.4 Valider les modèles numériques obtenus
3.5 Plan du mémoire
Chapitre 1 Revue de littérature de l’ensemble des sous-systèmes d’un système hybride solaire-biomasse 
1.1 Collecteurs thermiques solaires
1.2 Cycle combiné
1.2.1 Turbines à vapeur
1.2.2 Turbines à air chaud
1.3 Combustion de la biomasse
1.4 Conclusion
Chapitre 2 Modélisation mathématique du système hybride solaire biomasse 
2.1 Description du modèle
2.2 Formulation mathématique
2.3 Installation solaire
2.4 Paramètres géométriques et atmosphériques
2.4.1 Déclinaison
2.4.2 Angle horaire
2.4.3 Hauteur du soleil
2.4.4 Heures du lever et du coucher du soleil
2.4.5 Rayonnement solaire extraterrestre
2.4.6 Rayonnement solaire direct
2.5 Collecteurs cylindra-parabolique
2.5.1 Hypothèses simplificatrices
2.5.2 Coefficient global de perte de chaleur
2.5.3 Coefficient global de transfert de chaleur
2.5.4 Rendement thermique du collecteur solaire
2.6 Chambre de combustion
2.6.1 Hypothèses simplificatrices
2.6.2 Flux et composition chimique
2.6.3 Bilan énergétique
2.7 Cycle turbine à air chaud
2.7.1 Hypothèses simplificatrices
2.7.2 Compresseur
2.7.3 Échangeur de chaleur
2.7.4 Turbine à air chaud
2.7.5 Quantité de chaleur fournie au cycle à air chaud
2.7.6 Puissance électrique nette
2.7.7 Quantité de chaleur utile produite par le cycle à air chaud
2.7.8 Rendement électrique, thermique et global du cycle à air chaud
2.8 Cycle turbine à vapeur
2.8.1 Hypothèses simplificatrices
2.8.2 Pompe
2.8.3 Économiseur
2.8.4 Préchauffeur
2.8.5 Bouilloire
2.8.6 Turbine à vapeur
2.8.7 Quantité de chaleur fournie au cycle à vapeur
2.8.8 Puissance électrique nette
2.8.9 Quantité de chaleur utile produite par le cycle à vapeur
2.8.10 Rendement électrique, thermique et global du cycle à vapeur
2.9 Rendements du système hybride
2.9.1 Rendement électrique du système hybride
2.9.2 Rendement thermique du système hybride
2.9.3 Rendement global du système hybride
Chapitre 3 Caractérisation physico chimique de la biomasse
3.1 Préparation des échantillons
3.2 Taux d’humidité
3.3 Taux de cendres
3.4 Composition chimique (C, H, N, S)
3.5 Pouvoir calorifique
3.6 Conclusion
Chapitre 4 Résultats et discussions 
4.1 Caractérisation de la biomasse
4.2 Chambre de combustion de la biomasse
4.2.1 Quantité d’air nécessaire pour la combustion de la biomasse
4.2.2 Influence de la température d’entrée de l’air dans la chambre de combustion sur la température de sortie des gaz de combustion de la biomasse
4.3 Installation solaire
4.3.1 Influence du débit du fluide caloporteur sur la température à la sortie du collecteur solaire
4.3.2 Influence du débit du fluide caloporteur sur la quantité de chaleur délivrée par le collecteur solaire
4.3.3 Influence du débit du fluide caloporteur sur le rendement du collecteur solaire
4.3.4 Étude comparative des performances de trois technologies de collecteur cylindra-parabolique
4.4 Système hybride « Biomasse-solaire »
4.4.1 Influence du taux de compression sur les performances du système hybride
4.4.2 Répartition de la production électrique
4.4.3 Production de chaleur utile à des fins de chauffage
4.4.4 Rendement électrique
4.4.5 Rendement thermique et global du système
4.4.6 Quantité de chaleur fournie par l’installation solaire
4.4.7 Consommation en biomasse
4.4.8 Influence du type de biomasse sur les performances du système hybride
4.4.9 Influence du type de biomasse sur la répartition de la production du système hybride
4.5 Conclusion
Chapitre 5 Validation des résultats 
5.1 Chambre de combustion
5.2 Collecteur cylindra-parabolique
5.3 Cycle à air chaud
5.4 Centrale à cogénération
Chapitre 6 Conclusion et perspectives

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