Les points abordés. Contexte et problématique. Technologie des micro-cogénérateurs. Modélisation d un micro-cogénérateur

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1 Intégration de la micro-cogénération dans les bâtiments Prof. Bernard FLAMENT Responsable des formations en Génie Climatique et Energétique INSA de Strasbourg Etude réalisée en collaboration avec : 1 Les points abordés Contexte et problématique Technologie des micro-cogénérateurs Modélisation d un micro-cogénérateur Intégration aux bâtiments : 1 er résultats 2 2

2 I. Contexte - problématique. 1.1 : Cogénération 1.11: Définition «Terme désignant tout type d installation dédiée à la production simultanée et conjointe d énergie thermique (chaleur et/ou froid) et d énergie mécanique. L installation doit être intégrée dans un environnement comportant la valorisation effective de chacune des deux formes d énergie.» Primärenergie Énergie primaire KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG COGÉNÉRATION Strom Électricité Wärme Chaleur : Spécificité de la micro-cogénération Micro cogénération => P élec < 36 kwe Applications : Bâtiments résidentiels Petits tertiaires Finalités : Couvrir les besoins thermiques (chauffage, eau chaude sanitaire) Produire de l énergie électrique autoconsommée ou revendue 4 4

3 1.2 : Bâtiment à énergie positive 1.21 : Définition : Bâtiment à énergie positive 1.22 : Exemple Bilan d énergie d une maison passive (ordre de grandeur) : hypothèses : Surface 100 m 2 / 4 personnes E finale (tous usages élec) 17 kwh m -2 an -1 E utile kwh PAC ECS (appoint) 10 kwh m -2 an -1 Chauffage (appoint) 15 kwh m -2 an -1 E finale (élec) (15+10)/3 = 8,5 kwh m -2 an -1 Pour obtenir un bâtiment à énergie positive, il faut une production supérieure à 2500 kwh par an. 6 6

4 1.2 : Bâtiment à énergie positive 1.23 : Comment assurer la production d énergie? a) Capteurs solaires photovoltaïques : 1 m 2 -> production annuelle de l ordre de 100 kwh : Bâtiment à énergie positive 1.23 : Comment assurer la production d énergie? b) Modules de micro cogénération : exemple : Hybris Power (DE DIETRICH / REMEHA) Chaudière à condensation Ptherm : 21 kw Moteur STIRLING Ptherm : 5 kw Pélec : 1 kw 8 8

5 1.3 : Intérêt des productions décentralisées d énergie électrique? 1.31 : Constats : Evolution des pointes de consommation d énergie électrique en France depuis 10 ans (source RTE) 102 GW dont la part thermosensible est de 40 % 8 février : Intérêts des micro cogénérations? TWh Production électrique française kwh Production d une micro cogénération 10 10

6 1.32 : Intérêts des micro cogénérations? Avantage : Adéquation entre production d énergie et part thermosensible de la consommation électrique. Inconvénient : La production électrique dépend des besoins thermiques D où la problématique : Trouver la «meilleure» association bâtiment / microcogénération => Nécessité d outils d aide à la prescription Ii. Technologies de micro-cogénération. 2.1) Moteurs à combustion interne Schornstein Abgaswär merekuper ator Mini-Kraft- Wärme- Kopplung Micro-cogénération Ecopower Pélec : 5 kw Ptherm : 13 kw Elektrogene rator Stromnetz 12 12

7 2.2) Moteurs à combustion externe : exemple du moteur STIRLING Kessel (Gas) chaudière (gaz) regenerativer Wärmetauscher échangeur régénérateur Arbeitskolben Schema eines Stirling-Motors Verdrängungskolben Micro-cogénération Whispergen Pélec : 0,7 kw Ptherm : 7 kw Thermische Energie Energie thermique Wärmetauscher zur Kühlung échangeur refroidisseur Expansionsvolumen Kompressionsvolumen elektrische Energie Energie électrique Combustibles utilisables : gaz naturel, biogaz, granulés, GPL, fioul ) Pile à combustible 14 14

8 2.4) Technologie mise en place à l INSA : Chaudière électrogène «HYBRIS POWER» REMEHA- DE DIETRICH Chaudière à condensation MOTEUR STIRLING. Puissance thermique : 20 kw Puissance thermique : 3 à 5 kw Puissance électrique : 1 kw Poids 120 kg Encombrement : 490 x 910 x 422 mm III. Modélisation d une micro-cogénération. (doctorat B. Andlauer) 3.1) Pourquoi un nouveau modèle? Evolutivité Source d énergie Précision Modèle de microcogénérateur Rapidité Entrée Puissance demandée Simplicitéde paramétrage Sorties Puissance thermique Puissance électrique Puissance combustible 16 16

9 3.2) Prise en compte des différentes phases de fonctionnement. Combustion Puissance thermique Puissance électrique Arrêt Préchauffage Fonctionnement normal Refroidissement Arrêt Temps ) Approche de la modélisation retenue. => Modèle à 37 paramètres 18 18

10 3.4) Caractérisation expérimentale ) Validation expérimentale du modèle Evolution de la puissance thermique 6000 Puissance thermique (W) Modèle Mesures Temps (s) Q_HX expérimental Q_HX 20 20

11 3.6) Intégration du modèle dans un environnement de simulation (TRNSYS). Micro-cogénération Bâtiment Stockage IV. Couplage bâtiment / micro cogénération. Résultats de simulations. 4.1) Données et hypothèses Maison individuelle / Famille de 5 personnes Besoins de chauffage : localisation : Strasbourg niveau de performances : neuf et ancien Besoins d eau chaude sanitaire : suivant norme NF EN Besoins d électricité : suivant profil «high» de l annexe 42 de l AIE (Agence Internationale de l Energie) 22 22

12 4.2) Schéma du système considéré. P = 20 kw V = 250 l Micro cogénération : Moteur STIRLING : P thermique = 5 kw / Pélec = 1 kw ) Résultats obtenus. Energy Need Micro-cogeneration Boiler Heating Electricity Gaz Auxiliary Heating DHW Electricity production production delivered gaz [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] delivered New house Old house Rendement annuel du moteur : 86 % Production électrique : Neuf : 20 % des besoins Ancien : 40 % des besoins Autoconsommation / revente?? 24 24

13 Production électrique : Autoconsommation / revente?? Dans le contexte français (tarif de rachat : 8,56 c /kwh elec) nécessité d exporter plus de 1600 kwhe par an (couvrir les frais de raccordement et d abonnement) Electricity produc on [ kwh] Production 1600 kwh Part autoconsommée Part exportée Hea ng and DHW need [kwh/year] V. Conclusion / perspectives 4.1) Conclusion Intérêt des micro cogénérations Intérêt d un modèle dynamique Application à une maison individuelle 26 26

14 4.2) Perspectives Simulations avec d autres typologies de bâtiment. Autre technologie de micro cogénération : cycle Rankine combustible : granulés de bois Pélec : 0,3 à 1,6 kw Ptherm : 3 à 16 kw Merci de votre attention 28