COGENERATION ET TRIGENERATION

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1 COGNRATION T TRIGNRATION Jean-Marie SYNHAV UCL- cole Polytechnique de Louvain Département de Mécanique Jm.seynhaeve@uclouvain.be AUC Cogénération et trigénération 1 Contenu de l exposé Niveau énergétique et dégradation de l énergie La cogénération : principe - qualité xemples de cogénération : industrielle et domestique La trigénération : principe, qualité xemple de recherche : le froid solaire Conclusions AUC Cogénération et trigénération 2 Les écoulement de fluide dans l'industrie 1

2 Transformation et dégradation de l énergie s primaires RNOUVLABLS RNOUVLABLS éolienne hydraulique fossile nucléaire géothermique solaire TH solaire PV Niveau NRGTIU Température Thermique Thermodynamique Mécanique Perte à la source froide Électrique lumineuse mécanique thermique s nobles AUC Cogénération et trigénération 3 Production d énergie mécanique Cycle moteur Source chaude η η thermique W = m in = max ( Carnot ) 1 T T F C in > 0 2 < 0 Électricité Mécanique Source froide AUC Cogénération et trigénération 4 Les écoulement de fluide dans l'industrie 2

3 Rendement du cycle de Carnot 1 Rendement Température de la source froide de 20 C Centrale Nucléaire Centrale Classique η Carnot T = T 1 F C Centrale TGV Moteur Diesel Moteur essence Température de la source chaude ( C) AUC Cogénération et trigénération 5 Changement de niveau énergétique Cycle à compression Source chaude COP = COP max out T = T ou W out c out in ou T T in in Électricité Mécanique Source froide AUC Cogénération et trigénération 6 Les écoulement de fluide dans l'industrie 3

4 Cogénération : principe et qualité Cogénération Source chaude Centrale électrique C C CHP C Deux questions importantes : Source froide Chaudière Comment définir une cogénération de qualité? Dans quelle condition l électricité est-elle issue de la cogénération? AUC Cogénération et trigénération 7 Introduction Cogénération de qualité? uelques notions Consommation de combustible primaire : Rendement électrique de la cogénération : Rendement thermique de la cogénération : Rendement électrique «voie classique» : Rendement thermique «voie classique» : Coefficient de répartition : α ϕ α CCHP en kwh AUC Cogénération et trigénération 8 α α η η C CHP C CHP C C Les écoulement de fluide dans l'industrie 4

5 Primary nergy Saving : PS PS C + C C CHP C + C PS = 1 α η 1 α + η Cogénération de haut rendement (de qualité) : il faut P S > 0 Référence pour la filière «classique» : lectricité : turbine gaz-vapeur de rendement électrique 55 % Chaleur : chaudière de rendement de production 90 % AUC Cogénération et trigénération 9 Primary nergy Saving : PS conomie d'énergie primaire : domaine de haut rendement 100% Rendement électrique de cogénération 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Cas de base Domaine de haut rendement 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Rendement thermique de cogénération AUC Cogénération et trigénération 10 Les écoulement de fluide dans l'industrie 5

6 Primary nergy Saving : PS conomie d'énergie primaire 100% 90% Rendement électrique de cognération 80% 70% 60% 50% 40% 30% Domaine de haut rendement Différentes références Base (PS = 0,0 h = 0,55 h = 0,90) Change h (PS = 0,0 h = 0,40 h = 0,90) Change h (PS = 0,0 h = 0,55 h = 0,80) Change PS (PS = 0,1 h = 0,55 h = 0,90) Légende 20% 10% PS : conomie d'énergie primaire h : Rendement de référence pour l'électricité h : Rendement de référence pour la chaleur 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Rendement thermique de cogénération AUC Cogénération et trigénération 11 Valeurs indicatives de rendements de cogénération Rendements indicatifs Rendement Rendement Technologie électrique thermique α α Turbine à gaz sans post-combustion 30% 55% Turbine à gaz avec post combustion 20% 68% Moteur à explosion 35% 50% Moteur diesel 40% 43% Chaudière à vapeur et turbine à contrepression 15% - 22% 50%-68% AUC Cogénération et trigénération 12 Les écoulement de fluide dans l'industrie 6

7 Nouvelles installations Rendements de référence (proposition) Rendements de référence transitoires (nouvelles installations) (*) Combustible Rendement Rendement thermique de référence électrique Production Production de référence de vapeur d eau chaude à haute t ou de vapeur Gaz naturel 55% 80% 90% Charbon 42% 80% 85% Produits pétroliers 42% 80% 85% nergie renouvelable 22-35% 80% 80% Déchets 22-35% 80% 80% (*) Réductions de 5 à 10% autorisées pour tenir compte de pertes en lignes évitées non considérées ici Installations existantes Comparaisons sur base du rendement moyen du parc national Problème de disparité entre pays? AUC Cogénération et trigénération 13 Cogénération par moteurs à combustion interne Intercooler Admission Turbocompresseur xemple LLN: 3 moteurs à gaz de 3 MWel Moteur chappement Départ eau changeur Retour eau Alternateur P P AUC Cogénération et trigénération 14 Les écoulement de fluide dans l'industrie 7

8 Moteurs à combustion interne Paramètres énergétiques en cogénération Chaleur disponible à deux niveaux de température gaz d échappement ( C) eau chaude C pertes pariétales+ pertes mécaniques (eau à C) Répartition moyennes des flux selon type de moteur GAZ α = 0.4 α = 0.46 φ = 1.1 P = 0.18 DISL α = 0.46 α = 0.40 φ = 0.9 P = 0.24 AUC Cogénération et trigénération 15 t la micro-cog cogénération Régime : 1700 à 3600 rpm Rendement cogen : 90 % Puissance électrique : 2 à 4,7 kw Rendement électrique : 25 % Puissance thermique : 6 à 12,5 kw Rendement thermique : 65 % AUC Cogénération et trigénération 16 Les écoulement de fluide dans l'industrie 8

9 Installation : Cuve de stockage Intérêt Couvrir les pointes Réduire le nombre d arrêt / démarrage Découpler la demande et la production Ratio HP Wagner&CO 1000 l AUC Cogénération et trigénération 17 missions? conomie en production de CO 2 ffet de serre? η chaud = 90 % et η tgv = 55 % Index d économie en CO 2 : 14,2 % ( CO2) cogen 1 ( CO2) chaud+ ( CO ) 2 tgv ( CO2) eqiv, cogen n tenant compte du méthane 1: ( CO2) chaud+ ( CO2) - 8 %!!! PRG=21 tgv AUC Cogénération et trigénération 18 Les écoulement de fluide dans l'industrie 9

10 Comparaison avec d autres sytèmes de cogénération NRGI Cogénérateur Rpm P élec [kw] P th [kw] α élec α th co.comb. copower C à 4,7 6 à 12,5 25% 65% 15% Senertec C ,5 12,6 28% 62% 16,5 % Solo C à 9,5 8 à 26 24% 66% 14.50% copower exp à 4.6 5,7 à à 24 % 62,6 à 64,9 % 14,2% Senertec exp ,16 11,23 26% 56,6 % 9,2 % C. : Constructeur copower exp. : xpériences UCL Senertec exp. : xpériences KUL AUC Cogénération et trigénération 19 Comparaison avec d autres sytèmes de cogénération MISSIONS ϕ = Cogénérateur NOx [mg/m 3 ] CO [mg/m 3 ] CH 4 [mg/m 3 ] ϕ C.V. / an copower C ,6 0,15 Senertec C ,21 0,176 Solo C ,75 0,141 copower exp ,76 0,141 Senertec exp ,18 0,099 C.V./an: nombre de certificats verts obtenus en 1 an pour une même production de chaleur AUC Cogénération et trigénération 20 Les écoulement de fluide dans l'industrie 10

11 t la trigénération ration = Cogénération : lectricité, chaleur + production de froid Souce à température ambiante nergie Primaire Machine de Cogénération α = 0.60 α = 0.30 Chaleur Cycle Tritherme Production de froid Souce à température ambiante Pertes lectricité Cycle à Compression Production de froid AUC Cogénération et trigénération 21 Changement de niveau énergétique Cycle à compression Source chaude COP = COP max out T = T ou W out c out in ou T T in in Électricité Mécanique Source froide AUC Cogénération et trigénération 22 Les écoulement de fluide dans l'industrie 11

12 Cycles tritherme Absorption - Adsorption Technologies basées sur la thermochimie Absorption (80 C-120 C) eau-ammoniac eau-bromure de lithium Adsorption (65 C-80 C) eau-silica gel (zéolites) eau-charbon actif AUC Cogénération et trigénération 23 Technologies actuelles système plus ou moins lourd et complexes (cyclique ads.) maintenance Pièces mécaniques en mouvement, fuite (systèmes ouverts) fluides (ammoniac, choix très limité) coût taille et poids (adsorption) AUC Cogénération et trigénération 24 Les écoulement de fluide dans l'industrie 12

13 xemple de recherche Projet PROFSSI PROduction de Froid par nergie Solaire dans un Système Intégré Durée : 3 ans (Février 2007 à Février 2010) Objectif Étudier et optimiser un cycle de climatisation solaire à éjecteur supersonique pour une application résidentielle Partenaires - UCL/TRM : étude et optimisation du cycle thermodynamique - Ulg/CSL : étude et optimisation de la boucle solaire - Partenaire industriel S (Rochefort): intégration technologique AUC Cogénération et trigénération 25 Cycle tritherme à éjecteur Thermo-compression AUC Cogénération et trigénération 26 Les écoulement de fluide dans l'industrie 13

14 Calcul CFD (Air) AUC Cogénération et trigénération 27 Calcul CFD (Air) Finite volume FLUNT package Axisymmetric compressible solver Air as a ideal gas Roe flux difference splitting (2 nd order) RANS turbulence modeling According experiments: Total (pressures + Temp.) at inlets Static pressure at back AUC Cogénération et trigénération 28 Les écoulement de fluide dans l'industrie 14

15 AUC Cogénération et trigénération 29 prédictions globales/locales AUC Cogénération et trigénération 30 Les écoulement de fluide dans l'industrie 15

16 prédictions globales/locales AUC Cogénération et trigénération 31 Banc d essai en 3D jector vaporator Coriolis Condenser Liquid pump Superheater Generator AUC Cogénération et trigénération 32 Les écoulement de fluide dans l'industrie 16

17 La réalité... AUC Cogénération et trigénération 33 L éjecteur 3 mm AUC Cogénération et trigénération 34 Les écoulement de fluide dans l'industrie 17

18 Performances: comparaison avec un cycle classique à compression Définition énergétique du COP COP compression = p F p c = e W c ffet thermique ffet mécanique COP eject = p F p gen + p p e g Comparaison aberrante d un point de vue thermodynamique... ffet thermique ffet thermique AUC Cogénération et trigénération 35 Comparons des choux avec des choux Définition exergétique du COP ffet thermique ex COP compression = e W c ffet mécanique ffet thermique ex COP ejec = e g ffet mécanique subcooler With Without AUC Cogénération et trigénération 36 Les écoulement de fluide dans l'industrie 18

19 Pour conclure Technologie xotique Pas encore mature au niveau industriel MAIS très intéressante Passive (pompe) Simple Pas de maintenance (pompe) Peut être envisagée avec beaucoup de réfrigérants Très compact Faible coût Intégrable dans des systèmes combinés Challenges: Régulation du fonctionnement Solution plus simple et robuste au niveau de la pompe Design et fabrication optimisé de l éjecteur vacuation de la chaleur au condenseur Applications niches AUC Cogénération et trigénération 37 Les écoulement de fluide dans l'industrie 19