Chaudière à cogénération

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1 Térence Annarelli - Professeur agrégé stagiaire de mécanique Jean-Vincent Cordeau - Professeur agrégé stagiaire de mécanique Gaëtan Rey - Professeur agrégé stagiaire de génie mécanique Yvain Subra - Professeur agrégé stagiaire de génie mécanique IUFM d Auvergne Département technologie DOSSIER TECHNIQUE Chaudière à cogénération Formateurs : Jean Donnadieu Jean-Claude Fricou Année scolaire

2 Sommaire I. Présentation... 3 II. Analyse fonctionnelle Expression du besoin... 4 a) Chaudière... 4 b) Chaudière à cogénération Diagramme des inter-acteurs de la phase d utilisation Schéma de principe Schéma d implantation Caractérisation des inter-acteurs Caractérisation des fonctions de services Hiérarchisation des fonctions de services FAST...11 III. Annexe : définition du PCI et du PCS:...14 Dossier technique Chaudière à cogénération 2

3 I. Présentation L analyse porte sur un produit mis sur le marché: MK5B WhisperGen. Le WhisperGen est un système de production d eau chaude et de courant électrique convenant aux usages domestiques ou pour de petites industries. Il peut remplacer une chaudière de chauffage central tout en produisant en même temps du courant électrique. C est une chaudière à cogénération. C est actuellement PowerGen E.ON UK, le deuxième fournisseur anglais d électricité et gaz (8 millions de clients) qui l installe en Angleterre et qui a acquis l exclusivité des droits de le commercialiser. 550 foyers de Manchester seront équipés dans le cadre d un programme de construction d une société (Lovell). Le WhisperGen est en cours d évaluation dans divers autres pays, dont l Allemagne, la France et les Pays-Bas. Il n est pas plus gros qu une machine à laver la vaisselle, ne fait pas plus de bruit qu un climatiseur. Il n a pas besoin de lubrification, n a pas de filtres et ses émissions sont très propres. Un modèle de WhisperGen en courant alternatif (il existe aussi des modèles en courant continu pour des utilisations sur les bateaux, dans les mobil-homes ou tous les endroits isolés) utilise plus de 90 % de l énergie du carburant fourni. En plus du courant, il donne 12kW en production d eau chaude et de chauffage central. Le brûleur spécialement mis au point par WhisperGen permet de fonctionner avec différents gaz domestiques. L électricité produite peut être utilisée pour la maison ou retourner au réseau ou permet d avoir des batteries bien chargées dans les endroits isolés. Dossier technique Chaudière à cogénération 3

4 II. Analyse fonctionnelle 1. Expression du besoin a) Chaudière Consommateur Energie entrante (combustible) Chaudière Transformer en énergie calorifique Besoin : La chaudière permet au consommateur de transformer une énergie entrante (le combustible) en énergie calorifique. Pourquoi le produit existe-t-il? Parce que les consommateurs ont besoin d avoir chaud. Qu est ce qui peut faire évoluer le besoin? Que la température ambiante augmente ou diminue. Qu est ce qui peut faire disparaitre le besoin? Disparition du combustible. Dossier technique Chaudière à cogénération 4

5 b) Chaudière à cogénération Consommateur Energie entrante (combustible) Chaudière à cogénération Transformer en énergie calorifique en limitant son empreinte écologique Besoin : La chaudière à cogénération permet au consommateur de transformer une énergie entrante (le combustible) en énergie calorique en limitant son empreinte écologique. Pourquoi le produit existe-t-il? Parce que les consommateurs ont besoin d avoir chaud et conscience écologique. Qu est ce qui peut faire évoluer le besoin? Que la température ambiante augmente ou diminue. Nouvelles normes environnementales. Qu est ce qui peut faire disparaitre le besoin? Disparition du combustible. Disparition de la conscience écologique. Dossier technique Chaudière à cogénération 5

6 2. Diagramme des inter-acteurs de la phase d utilisation. Energie entrante (combustible) Environnement Consommateur FS5 FS1 Chaudière à cogénération FS4 FS2 FS3 Energies sortantes Normes Infrastructure FS1 : Permettre au consommateur de transformer une énergie entrante (combustible) en énergies sortantes FS2 : Permettre au consommateur de limiter son empreinte sur l environnement FS3 : S adapter à l environnement FS4 : S adapter aux infrastructures existantes FS5 : Respecter les normes en vigueur 3. Schéma de principe Brûleur 1 Stirling Electricité Combustible Brûleur 2 Chaleur Fluide Chaleur Chaudière à cogénération Dossier technique Chaudière à cogénération 6

7 4. Schéma d implantation Vocabulaire : Gas valve : vanne de gaz Burner : brûleur Auxillary burner : brûleur auxiliaire Heat exchanger : échangeur thermique Engine : moteur «Stirling» Generator : générateur électrique Exhaust fan : extracteur de fumées CH flow (Central heating) : départ chauffage central CH return : retour chauffage central La Chaudière fonctionne ainsi: 1. La chambre de combustion place au-dessus du moteur, sur la source chaude, contient un brûleur à gaz naturel. 2. La chaleur qui y est produite dilate le gaz contenu dans le moteur (azote), qui actionne alors les pistons du moteur et génère du travail mécanique. 3. Le moteur Stirling entraîne le générateur à courant alternatif, fournissant ainsi de l électricité au réseau domestique. 4. L eau de retour du chauffage central passe dans l échangeur de chaleur où elle est préchauffée par le brûleur auxiliaire, seulement en cas de forte demande de chaleur. 5. Ensuite, cette eau passe au niveau du carter bas du moteur, où elle est réchauffée tout en refroidissant la «source froide» du Stirling. 6. L eau ainsi chauffée est renvoyée dans le circuit de chauffage. Dossier technique Chaudière à cogénération 7

8 5. Caractérisation des inter-acteurs Inter-acteurs Caractérisations Valeurs Consommateur Sexe Logement Intérêts Energie entrante (combustible) Type Pression nominale en admission Consommation maximale Indifférent Propriétaire Ecologique et/ou économique Gaz domestique 2H classe2 20 mbar 1.55 m 3 /h Gaz naturel : Prix PCI Propane : Prix PCI Butane : Prix PCI Environnement Température ambiante Comburant Humidité relative Types d air ph de l eau Energies sortantes Puissance thermique Puissance électrique Infrastructure Support : Charge maximale Tuyauteries chauffage : Raccordement Type Pression maximale Conduit cheminé : Réseau électrique : Tension Intensité Fréquence Normes Réglementation thermique Raccordement gaz er évacuation des produits de combustion Raccordement électrique sur l installation intérieure * Prix au 1 février /kwh * 50 MJ/kg /kwh * 46,357 MJ/kg /kwh * 45,752 MJ/kg Entre 0 et 45 C Entre -15 et 40 C Entre 0 et 95% Continental ou marin Entre 5 et 8 12 kwh 1 kwh 200 kq/m 2 RP ISO 7/1 Cuivre, acier, PE 3 bars Compatible avec le système d évacuation / admission d air Cox Geelen Coxcentric RGE 80/ V 16 A 50 Hz RT 2005 DTU 61-1 NFC Dossier technique Chaudière à cogénération 8

9 6. Caractérisation des fonctions de services Fonctions de services Critères Niveaux Flexibilité FS1 Permettre au consommateur Alimentation électrique : de transformer une énergie Puissance en veille 9 W entrante (combustible) en Puissance en fonctionnement 100 W énergies sortantes Puissance thermique : Brûleur Stirling Brûleur chaudière Mode nominal 5 kw 7 kw 7 kw FS2 Permettre au consommateur de limiter son empreinte sur l environnement. Chauffage central : Débit Système Pression dans le système Température de l eau Sortie électrique : Tension Fréquence Puissance électrique utile Nombre de phase Facteur de puissance, cosφ Rendement (PCI) Diminution des rejets de CO 2 FS3 S adapter à l environnement Température d échappement Condensat Resistance à la corrosion (non visible) FS4 S adapter à l infrastructure Nombres d opérations * Caisse à outil * Temps d installation +mise en service * 8,5 à 15 l/min Ouvert ou pressurisé 3 bar 85 C 220 V AC 50Hz 1 kw g/kwhe 95 C 1,7 l/h 15 ans Minimales Chauffagiste 5h Maxi Maxi Mini ±3 % Maxi Maxi Mini ±1h FS5 Respecter les normes en vigueur. Etanchéité Installation Bruit -1l/an AFNOR NF E31 E Maxi Vapeur d eau NF EN Conduit de fumée Flexibilité du produit existant * Phase d installation et de maintenance NF EN 1443 Dossier technique Chaudière à cogénération 9

10 7. Hiérarchisation des fonctions de services Tableau de valorisation des fonctions FS1 FS2 FS3 FS4 FS5 Total Classement FS FS FS FS4 0 5 FS Classement suite au tableau 1- FS1 : Permettre au consommateur de transformer une énergie entrante (combustible) en énergies sortantes 2- FS2 : Permettre au consommateur de limiter son empreinte sur l environnement 3- FS5 : Respecter les normes en vigueur 4- FS3 : S adapter à l environnement 5- FS4 : S adapter aux infrastructures existantes Dossier technique Chaudière à cogénération 10

11 8. FAST FS1 Permettre au consommateur de transformer une énergie entrante (combustible) en énergies sortantes FT11 Permettre la combustion FT111 Gérer la combustion FT1111 Contenir la combustion FT1112 Initier la combustion FT1113 Surveiller la présence de flamme Brûleur Electrode d allumage Electrode d ionisation FT1114 Stopper la combustion Vanne gaz FT112 Apporter les réactifs nécessaires FT113 Evacuer les produits de combustion FT1121 Apporter le combustible FT1122 Apporter le comburant Ventilateur Cheminée FT114 Supporter la chaleur de combustion Choix des matériaux FT12 Exploiter l énergie calorifique FT121 Récupérer l énergie calorifique Serpentin ou ailettes FT122 Transporter l énergie calorifique FT1221 Créer la circulation FT1222 Garantir la pression de circulation FT12221 Mesurer la pression FT12222 Permettre le remplissage du réseau Pompe Manomètre Vanne FT13 Transformer une partie de l énergie calorifique en électricité FT131 Transformer l énergie calorifique en énergie mécanique Moteur Stirling FT132 Transformer l énergie mécanique en énergie électrique Génératrice électrique Dossier technique Chaudière à cogénération 11

12 FS2 Permettre à l utilisateur de limiter son empreinte écologique FT21 Avoir un bon rendement thermique FT22 Limiter les effluents polluants Brûleurs à récupération Réglage des brûleurs à l installation FT23 Utiliser un carburant ayant une faible pollution du puits à l utilisateur Gaz naturel FT24 Offrir une production électrique plus écologique que le réseau FT241 Avoir un bon rendement de transformation thermiquemécanique Moteur Stirling FT242 Avoir un bon rendement de transformation mécanique-électrique Générateur rotatif FS3 S adapter à l environnement FT31 Résister à la corrosion atmosphérique Acier inoxidable Peinture FT32 Résister à la corrosion hydraulique Supporter l eau additionnée d un inhibiteur de corrosion Acier, cuivre FT34 Résister au froid Mise en route automatique de la chaudière Dossier technique Chaudière à cogénération 12

13 FS4 S adapter aux infrastructures FT41 Etre fixé solidement Roues réglables en hauteur FT42 S adapter au chauffage central FT421 Envoyer l eau dans le circuit de chauffage Plaque de raccordement centralisée FT422 Récupérer l eau du circuit de chauffage Plaque de raccordement centralisée FT423 Se raccorder FT424 Commander la pompe Sortie électrique vers la pompe FT425 Résister à la pression du réseau Dimensionnement Matériaux FT43 Se raccorder à l évacuation des condensats FT44 S adapter au réseau de gaz Plaque de raccordement centralisée FT45 Recevoir les ordres du programmateur Connecteur J2 FT46 S adapter au conduit de cheminée Buse 80/125 Au dos ou sur le dessus FT47 S adapter au réseau électrique FT441 Se connecter en entrée FT442 Se connecter en sortie Câble d alimentation secteur Dossier technique Chaudière à cogénération 13

14 III. Annexe : définition du PCI et du PCS: L énergie disponible dans un carburant est caractérisée par deux valeurs : Le PCS, Pouvoir Calorifique Supérieur, correspond à l énergie dégagée par la combustion de ce carburant. C est la quantité maximale d énergie que l on peut tirer de la réaction. Le PCI, Pouvoir Calorifique Inférieur, est l énergie dégagée par la combustion de ce carburant, sans tenir compte de l énergie présente dans la vapeur d eau produite par la réaction (chaleur latente de vaporisation). Le PCI est donc inférieur au PCS. Le rendement thermodynamique réel est calculé par rapport au PCS, mais les normes françaises et européennes stipulent que les constructeurs doivent annoncer le «rendement sur PCI» de leurs chaudières. Ceci explique l apparition de «rendements» supérieurs à 1 : l énergie réellement disponible correspond au PCS (Pouvoir Calorifique Supérieur), qui est supérieur au PCI de11% pour le gaz naturel, 9% pour le GPL, 5% pour le charbon. Chaudière classique : rendement sur PCI de 80 à 90% Chaudière à condensation : rendement sur PCI de100 à 105% Chaudière pulsatoire (écoulement turbulent) : jusqu à 111% avec du gaz naturel, ce qui correspond à un rendement réel proche de 100% Exemple : énergie récupérée par une chaudière à condensation ayant un rendement sur PCI de 105% brûlant 1kg de carburant: PCS (Energie disponible) : kj PCI : kj Chaleur latente kj 105% sur PCI Chaleur récupérée : kj,soit 94,5% de l énergie disponible Pertes kj Dossier technique Chaudière à cogénération 14