La micro-cogénération domestique et les moteurs STIRLING

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1 La micro-cogénération domestique et les moteurs STIRLING Pascal STOUFFS () Université de Pau et des Pays de l Adour, France 1

2 1. La cogénération Production simultanée d énergie mécanique (ou d électricité) et de chaleur utile dans une même installation «Combined Heat and Power» (CHP) Intérêts et performances? 2

3 Moteur thermique : Chaudière : consomme une énergie noble (par exemple du gaz naturel) produit une énergie noble (par exemple de l électricité par entraînement d un alternateur) produit une énergie dégradée (chaleur à basse température, rejetée dans l environnement) Moteur Energie méca. / élec. consomme une énergie noble (par exemple du gaz naturel) le du gaz naturel) ne produit aucune énergie noble produit une énergie dégradée (mais néanmoins utile!), sous forme d eau chaude «Production combinée de chaleur et d électricité» Chaudière 3

4 Production séparée Pertes Cogénération 124 Prod. électr. Particulier 70? 54 Gaz nat. Centrale électrique η = 50 % Chaudière η = 93 % 35 Electricité 50 Chaleur 100 Particulier Gaz nat. Système de cogénération η Ι = 85 % η elec = 35 % 35 Electricité 50 Chaleur Pertes Pertes Intérêt énergétique évident Intérêt environnemental en terme de CO 2 évité : dépend du mode de production d électricité du réseau national 4

5 2. La micro-cogénération domestique Production simultanée d énergie mécanique (ou d électricité) et de chaleur utile dans une même installation de puissance électrique inférieure à 15 kw élec Remplacer la chaudière de chauffage central par un système énergétique permettant de produire à la fois de l électricité et de la chaleur : concept de «chaudière électrogène»(gdf) 5

6 Spécificités? Installations pilotées par le besoin de chaleur Nécessité d une régulation qui permette au système de fonctionner en toutes circonstances sans interventions extérieures Faibles besoins de maintenance Très grande dépendance aux politiques tarifaires et réglementaires mises en place, et au contexte économique (distributeurs d énergie...) Importance de la valeur du ratio E/C et de η élec actuellement encore assez faible pour certaines technologies... 6

7 Technologies actuelles? Moteurs à combustion interne (à gaz) : systèmes disponibles commercialement

8 Technologies actuelles? Moteurs à combustion interne (à gaz) : systèmes disponibles commercialement inconvénients : bruit, maintenance En développement : Cycles à vapeur (ENGINION, OTAG, ) Micro-turbines à gaz Piles à combustible (Sulzer, Vaillant, ) Moteurs STIRLING 8

9 3. Les moteurs STIRLING Détente du fluide chaud Compression du fluide froid Energie mécanique 9

10 3. Les moteurs STIRLING Moteurs thermiques volumétriques alternatifs à enceintes de compression et de détente distinctes à apport de chaleur externe à fluide de travail monophasique gazeux (air, N 2, He, H 2 ) «Moteurs à air chaud» 10

11 3. Les moteurs STIRLING Ni soupapes, ni clapets Cinq espaces de travail Q h Q c E expansion espace de détente H R K H heater réchauffeur R régénérateur K cooler refroidisseur C espace de compression E C 11

12 4. Principe de fonctionnement des moteurs Stirling Q h H R K Q c Q h H R E Q h H R E E C Q c K C Q c K C Alpha 2 pistons 2 cylindres Bêta 1 piston, 1 déplaceur 1 cylindre Gamma 1 piston, 1 déplaceur 2 cylindres 12

13 4. Principe de fonctionnement des moteurs Stirling Cylindre de travail Déplaceur Stirlingmotor SCHI-2-A (Allemagne) Qh Qc Partie froide Partie chaude Partie froide Partie chaude 13

14 5. Atouts et créneaux d application Utilisation, valorisation énergétique de tout type de source de chaleur Conversion des énergies renouvelables Energie solaire Bois, biomasse, biogaz Valorisation énergétique des déchets (incinération, thermolyse, ) Hybridation 14

15 5. Atouts et créneaux d application Stirling Energy Systems SES (USA) Utilisation, valorisation énergétique de tout type de source de chaleur, à tout niveau de température! Excellent rendement! Moteur: 4-95 USAB MkII (1984) 25 kw elec η engine = 0,42 η global = 0,30 Record mondial solaire réseau électrique! 15

16 5. Atouts et créneaux d application Utilisation, valorisation énergétique de tout type de source de chaleur, à tout niveau de température! Micro-cogénération domestique = production combinée d eau chaude et d électricité Excellent rendement! Pas de combustion interne, ni d explosions silencieux peu de maintenance grande durée de vie WhisperGen (NZ) 16

17 6. Historique et état de l art STIRLING

18 6. Historique et état de l art Moteurs à air chaud : succès commercial important au XIX e siècle désuétude dès le début du XX e siècle STIRLING : regain d intérêt grâce aux travaux de MEYER (PHILIPS) des prototypes aux performances remarquables décollage lent, mais des machines commercialisées 18

19 6. Historique et état de l art PROMES (CNRS) (Odeillo, Font-Romeu) SOLO (Allemagne) Modules de cogénération ou systèmes solaires 9 kw él 19

20 6. Historique et état de l art BSR (Allemagne) «Sunpulse» Moteur STIRLING basse T SUNMACHINE (Allemagne) Pompe solaire Moteur STIRLING basse T 20

21 6. Historique et état de l art SUNMACHINE (Allemagne) 21

22 MERCI DE VOTRE ATTENTION! 22

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