T.P. Machines Thermiques : Cogénérateur / Page : 1 T.P. CO-GENERATEUR

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1 T.P. Machines Thermiques : Cogénérateur / Page : 1 T.P. CO-GENERATEUR But du T.P. : Mesurer les performances d une installation type de co-génération. Evaluer les gains éventuels d une installation de ce type. Rappels : Principes de bases : La co-génération est une technique de production d énergie produisant à la fois de l électricité et de la chaleur. Elle utilise le plus souvent, un moteur thermique ( alternatif ou rotatif ) qui entraine un alternateur produisant de l électricité et sur lequel on récupère toutes les calories habituellement rejetées par ce type de moteur dans le circuit de refroidissement et à l échappement. 2 types de moteurs sont utilisés : - les moteurs à piston issus très souvent de versions automobiles mais adaptés à cette application particulière. Ces moteurs sont le plus souvent alimentés au gaz : - gaz de ville - gaz naturel - bio gaz Les installations utilisant ces moteurs sont en général de petite puissance ( 10 à 500 kw ) et permettent donc une production conjointe d électricité et de chaleur délocalisée avec un excellent rendement global - les moteurs rotatifs ou turbo-moteurs plus souvent appelés turbines à gaz dérivés d applications aéronautiques sont aussi utilisés dans des applications de cogénération. Ils sont intéressants pour des installations de moyenne et grande puissance (100 kw à plusieurs dizaines de MW). L alimentation de ces moteurs se fait également le plus souvent au gaz. Intérêt de la co-génération : La production traditionnelle d électricité s effectue dans les centrales thermiques ou nucléaires avec une puissance très élevée (1 300 MW pour une tranche nucléaire classique) et un rendement n excédant pas 40 % environ. Comme ce sont de très grosses installations, la quantité de chaleur perdue qui représente environ 60 % n est pratiquement pas récupérable ou très peu car elle nécessiterait des réseaux de distribution énormes et les pertes engendrées seraient trop importantes. La production délocalisée par une installation de co-génération permet d éviter les problèmes de distribution. L utilisation du gaz comme carburant principal permet d obtenir une combustion très propre et un excellent rendement global par rapport à l apport d énergie primaire du gaz qui peut atteindre les 95 %. Le régime de rotation du moteur est en général assez bas (1 500 t/mn ou t/mn) ce qui est un gage de longévité pour l utilisation de l installation. La récupération d énergie thermique sur le moteur (circuit de refroidissement et pot d échappement) permet d obtenir des rendements équivalents ou supérieurs aux meilleures chaudières à condensation lorsqu elle est bien conçue.

2 T.P. Machines Thermiques : Cogénérateur / Page : 2 Le gain global de conversion de l énergie par rapport à un ensemble classique : production électrique centralisée + production de chaleur par chaudière peut être évalué à 38% Cependant la rentabilité financière d une installation de co-génération n est assurée que si l installation est bien dimensionnée par rapport à son utilisation et reste très tributaire du coût du gaz en tant que source d énergie primaire. Les installations de co-génération sont intéressantes pour des besoins simultanés d énergie électrique et thermique comme par exemple : - centrales de chauffage pour les bâtiments ou un réseau urbain - piscines et centres sportifs - bâtiments publics - prestataires de service (centres commerciaux, hôtels) - industries nécessitant de la chaleur à température assez basse (plasturgie par exemple) - fermes isolées utilisant de la chaleur pour une production particulière (fromage ou élevage) Descriptif de l installation : L installation s articule autour d un groupe co-générateur BUDERUS E 0824 DN 20 (voir l annexe technique pour les caractéristiques précises). Le groupe comporte un moteur Volkswagen de 2 litres de cylindrée alimenté au gaz d une puissance de 19 kw. Il entraine un générateur asynchrone triphasé de 17 kw de puissance électrique et la puissance thermique récupérée sur le moteur peut s élever à 32 kw. Le groupe étant exclusivement réservé aux travaux pratiques de machines thermiques, l énergie produite n est pas récupérée mais est dissipée dans un échangeur et rejetée vers l extérieur : - L énergie thermique est dissipée directement dans l échangeur - L énergie électrique sert à produire de l eau chaude à travers 4 résistances (de type chauffe eau) - l énergie thermique ainsi produite est également dissipée dans l échangeur. Le seul but de cet ensemble de dissipation est bien sur de tester les performances du groupe co-générateur en le faisant fonctionner à différentes puissances. Il ne correspond pas à une utilisation réelle du groupe co-générateur qui peut donc délivrer 17 kw électriques en triphasé et 32 kw thermiques en eau chaude à 90 C environ pour un retour vers 70 C. L instrumentation de mesure comporte : - un compteur pour mesurer le débit de gaz incident - un compteur de calories pour mesurer la puissance thermique produite par le co-générateur - un ensemble de mesures Tension-Courant pour déterminer la puissance électrique disponible

3 T.P. Machines Thermiques : Cogénérateur / Page : 3 Tous les circuits de commande, de régulation et de sécurité du co-générateur sont intégrés dans le groupe et toutes les informations sont centralisées sur le tableau de commande. Le couplage au réseau électrique est également intégré au groupe mais dans notre cas, nous ne l utilisons pas. Le moteur utilisé est un moteur de base Volkswagen transformé pour une utilisation gaz et un régime réduit (1500 t/mn) Son allumage est géré électroniquement et le débit d alimentation air/gaz est régulé pour maintenir une vitesse de rotation constante. La récupération de l énergie thermique se fait par circulation d eau sur le bloc cylindres et la culasse et sur le pot d échappement catalytique qui permet de récupérer l énergie de la vapeur d eau qui est recondensée dans l échappement. On peut noter la présence d une sonde lambda sur le circuit d échappement afin de bien gérer la combustion du moteur. Bilans : Puissance fournie : la puissance fournie resulte de la combustion du gaz. Elle est donc donnée par la relation P f = * m*pcs avec * m = débit de gaz exprimé en Nm3/s Remarque : nous utilisons le pcs du gaz car sur ce groupe l eau présente dans les gaz d échappement est recondensée et la chaleur correspondante est récupérée ce qui augmente les performances thermiques de l installation. Puissance récupérée : - Puissance thermique : Elle est mesurée directement en kw par le compteur de calories. On peut également avec le même compteur obtenir les indications de débit d eau et de température entrée/sortie et recalculer cette puissance par P t = * M e *C p * T ce qui évidemment donnera le même résultat. - Puissance électrique : Elle est mesurée et affichée sur le tableau de commande du groupe. Cependant on l obtient avec une meilleure précision en la calculant à partir de la somme des tensions /courants de chaque phase affichées sur ce même tableau. P e = (U*I) La puissance totale récupérée est donc la somme de la puissance thermique et de la puissance électrique. On peut en déduire le rendement du groupe de cogénération : = P e+p t P f

4 T.P. Machines Thermiques : Cogénérateur / Page : 4 Le constructeur annonce un rendement global de 95% ce qui correspond aux premiers tests effectués. Il est important toutefois d évaluer la précision de cette mesure : - le pcs du gaz est donné arbitrairement car la composition du gaz de ville est constamment variable en fonction des arrivages et du marché ce qui conduit à des fluctuations plus ou moins importantes de la valeur réelle du pcs. - les mesures de température et de débit et surtout les mesures de courant sont peu précises ce qui peut amener une marge d erreur non négligeable sur l évaluation du rendement global du groupe. Partie Pratique : Le groupe co-générateur est complètement conditionné dans un chassis fermé insonorisé. Il comporte en face avant le tableau de commande sur la partie supérieure et en face arrière : -tous les éléments d alimentation gaz : détendeur, régulateur et vannes de sécurité -les entrées et sorties d eau de l échangeur à plaques avec le compteur de calories pour la mesure du débit et des températures - la sortie échappement du moteur qui est raccordée au réseau général de récupération des gaz d échappements ainsi que la sortie des condensats qui a nécessité de rehausser le groupe sur un châssis spécial Certains panneaux n ont pas été remontés afin de permettre de voir l intérieur du groupe notamment au niveau du moteur. On peut ainsi constater l isolation très importante qui a été réalisée autour des circuits de récupération thermique et de l échappement et la présence d un très gros réservoir d huile supplémentaire pour le moteur : la vitesse de rotation du moteur étant en permanence relativement lente (1500 t/mn) par rapport à la même version automobile du moteur et la durée d utilisation devant être continue et beaucoup plus longue, la lubrification par le seul carter serait insuffisante et le constructeur a donc adjoint une réserve d huile importante avec une circulation régulée.

5 T.P. Machines Thermiques : Cogénérateur / Page : 5 Tableau de commande Situé sur la partie supérieure de la face avant, il comporte : - un afficheur multi-fonctions au centre - une série de touches repérée de F1 à F8 en dessous - un arrêt coup de poing rouge à gauche - à n utiliser qu en cas d arrêt d urgence - un commutateur Hand Auto situé à droite avec trois voyants et un clavier numérique : - voyant supérieur Bereit (prêt) de couleur verte indique que le groupe est prêt à fonctionner - voyant intermédaire Betrieb de couleur verte indique le couplage électrique de l alternateur - voyant inférieur Fehler (défaut) de couleur rouge indique une panne ou un défaut - le clavier numérique ne doit en aucun cas être utilisé : sa seule utilisation est la programmation de l automate de gestion du groupe et relève de personnels de maintenance qualifiés. La seule touche utile de ce clavier est la touche C qui sert à effacer les défauts. - affectation des touches F1 à F8 : - F1 : Stop (Arrêter le module) Uniquement par des personnels qualifiés - F2 : Moteur : Affichage pour information des valeurs de service du moteur - F3 : Passage du mode Arrêt à Automatique (haut à gauche de l afficheur) - F4 : U - I : Affichage pour information des valeurs de tension courant débitées - F5 : Menu ou Imprimer : Uniquement par des personnels qualifiés - F6 : Niveau de service : Protégé par mot de passe - F7 : Panne : Uniquement par des personnels qualifiés - F8 : Reset : pour acquitter les messages de panne et la led rouge En résumé les seules touches utiles pour le TP sont F2, F3, F4 et éventuellement F8 et C si le voyant Fehler est au rouge.

6 T.P. Machines Thermiques : Cogénérateur / Page : 6 Débitmètre gaz : Il est placé sur la canalisation d arrivée et lisible à travers la vitre de la cabine dans l angle inférieur droit. La mesure s effectue par chronométrage sur un certain volume. La précision de lecture est du litre. Compteur de calories : Il est placé sur les canalisations d eau du groupe donc dans la partie arrière. L indicateur est fixé au mur : cet indicateur est muni d un cadran d affichage des valeurs et d un poussoir permettant de faire défiler les affichages : - 3 ème impulsion : Débit d eau (l/h) - 4 ème impulsion : Puissance thermique (kw) - 5 ème impulsion : T eau sortie ( C) - 6 ème impulsion : T eau entrée ( C) - 1 ère, 2 ème et 7 ème à 10 ème impulsion : sans objet (constantes système) Dissipateur électrique : il comporte quatres séries de résistances électriques triphasées plongées dans un bac à eau. Les calories engendrées sont évacuées par un échangeur coaxial en même temps que la puissance thermique du groupe. Le tableau de commande des résistances comporte quatre commutateurs correspondants chacun à une série de résistances. La puissance de chaque résistance est d environ 3.5 kw. Gestion du groupe : Toute la gestion du groupe et du moteur en particulier est électronique. Elle est intégrée au module et donc inaccessible sauf à du personnel de S.A.V. très qualifié. Elle assure les séquences de démarrage et d arrêt qui sont automatiques et la régulation de vitesse du moteur en fonction de la charge pour obtenir une tension électrique à fréquence constante. Il faut noter que le démarrage et l arrêt du moteur ne s effectuent jamais sous charge électrique : le couplage ne s effectue que lorsque le moteur tourne depuis plusieurs secondes à vitesse constante. Procédure de Démarrage : 1 - Vérifiez que la vanne principale de gaz est ouverte (extérieur cabine à droite sur la canalisation principale jaune) 2 - Vérifiez que l extracteur général du labo est en marche position 5 (à coté du téléphone) 3 - Mettre en marche la ventilation cabine position II sous le compteur gaz intérieur cabine 4 Mettre la vanne 3 voies en marche interrupteur à droite du panneau de commande. 5 - Ouvrir la vanne d eau du dissipateur (tuyau noir) de 1/8 de tour environ. 6 - Vérifiez que les quatre commutateurs de charge sont sur 0

7 T.P. Machines Thermiques : Cogénérateur / Page : 7 7 le commutateur principal Hand Auto doit être sur 0. Passer le témoin Bereit du tableau de commande au vert : - si le témoin Fehler rouge allumé : appuyer sur F8 et C, le témoin doit s éteindre. - appuyer sur F3 pour passer en automatique (en haut à gauche de l afficheur) - amorcez l automate par une ouverture puis fermeture du commutateur gris en haut à gauche : le temoin Bereit vert doit s allumer. 8 - Placez le commutateur principal sur Hand : le groupe doit démarrer : si le démarreur ne tourne pas ou trop doucement les batteries sont déchargées. Lorsque le démarreur tourne, le démarrage du moteur n est pas immédiat car les canalisations de gaz doivent se purger. Le groupe peut faire plusieurs séquences de démarrage successives en cas de non démarrage sur la première. 9 - Après démarrage et stabilisation du régime après plusieurs secondes, le couplage électrique s enclenche automatiquement (temoin Betrib au vert et temoins allumés en haut de l armoire électrique). Pour faciliter la stabilisation il peut être bon d enclencher quelques minutes la première charge. Procédure de mesures : - Après démarrage et stabilisation, laisser tourner le groupe pendant 15 environ. Faire alors un premier relevé de mesures : - débit de gaz : chronométrer le temps mis pour consommer 100 l - relever sur l indicateur du compteur de calories : - le débit d eau - la puissance thermique - la température d entrée - la température de sortie - relever sur l indicateur du tableau de commandes : touche F4 - les tensions de phase - les courants de phase (= 0 pour la 1ère série ) Touche F2 : - les paramètres moteur : - Température échappement relever en même temps la température de sortie du pot d échappement afficheur à gauche du tableau - Température eau de refroidissement - Pression d huile - Tension batterie - Enclencher la charge 1 et laisser stabiliser 10 environ avant de faire le même relevé de mesures - Répéter l opération avec les charges 1 + 2, puis , puis Lorsque tous les relevés sont faits (5 en tout), couper toutes les charges électriques et laisser le groupe tourner encore 5 Procédure d arrêt : - ramener le commutateur principal sur 0 - fermer la vanne d eau du dissipateur - Après 5 arrêter la ventilation cabine

8 T.P. Machines Thermiques : Cogénérateur / Page : 8 Travail demandé : Schéma et descriptif de l installation : - Faire un schéma complet et détaillé du co-générateur et du banc d essais incluant les différents circuits d air, eau, carburant, la position des différents capteurs - ce schéma doit être réalisé en s inspirant du schéma donné en exemple dans la salle de TP et en utilisant l ensemble des symboles affichés sur la cabine, et permettre d illustrer clairement le fonctionnement du banc d essais et de la machine. - accompagner ce schéma par un descriptif technique précis des composants de l installation - lorsque votre schéma et votre descriptif sont prêts, les faire vérifier par votre enseignant avant de démarrer les mesures Compte rendu des mesures et analyse des résultats - joindre un relevé des mesures - exploitation des résultats : - calcul du débit de gaz en Nm3/h (1 Nm 3 = 1 m 3 ramené à 0 C et 1013 mbars) - calcul de la puissance fournie (PCS du gaz kj/nm 3 avec une tolérance est de +/-1,2 % controlée régulièrement par la DRIRE - Direction Régionale de l'industrie, de la Recherche et de l'environnement). - calcul de la puissance électrique - calcul du rendement - évaluation de la précision de la mesure du rendement par calcul d erreur pour la charge maximale : prendre à titre d exemple les incertitudes de mesure suivantes : - température par thermocouple : +/- 0.2 C - intensité électrique : +/- 0.5 A (arrondi de l afficheur pour chaque phase) - tension électrique : +/- 0.5 V (arrondi de l afficheur pour chaque phase) - débit d eau : +/- 1% de la valeur mesurée. - débit gaz : estimer l incertitude de la mesure du temps et du volume lu au compteur. - calcul du débit d air maximal à partir de la cylindrée et de la vitesse de rotation (la mesure n est pas possible pour le moment avec le débitmètre - gamme trop élevée). Estimation du débit masse des fumées et de la puissance thermique récupérée à l échappement. Commentez le résultat en le comparant à la puissance thermique totale mesurée. - tracé des courbes qui vous paraissent les plus appropriées pour mettre en évidence les performances du groupe et commentaires sur les résultats.