Transformation de l énergie chimique

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1 Applications mettant en œuvre la transformation Systèmes techniques permettant de transformer un combustible (énergie chimique) en chaleur (énergie thermique) et/ou en électricité. Les chaudières Ce sont des systèmes permettant de transformer une énergie combustible en chaleur. Cette mini chaufferie (Energybox) d une puissance de 15 kw est utilisée pour la production de chauffage et la production d ECS dans le domaine de l habitat individuel. Elle est composée d une chaudière à pellet (1), d un silo de stockage textile de 3,5 tonnes (2), d une évacuation des fumées (3) et de son enveloppe (4). Le pellet de bois est un combustible renouvelable qui est fabriqué à partir de déchets des filières industrielles du bois. Les rendements de ces chaudières sont particulièrement bons et atteignent couramment les 90 à 95% sur PCI ( Pouvoir Calorifique Inférieur : C'est l énergie thermique libérée par la réaction de combustion d'un kilogramme de combustible sous forme de chaleur sensible, à l'exclusion de l énergie de vaporisation (chaleur latente) de l'eau présente en fin de réaction). Les piles à combustibles Utilisée depuis les années soixante dans le domaine de l aérospatial, la pile à combustible tend à se développer dans de nombreux domaines. Grâce à la baisse des coûts de fabrication, son utilisation est prometteuse dans le domaine des transports, de la téléphonie mobile et de la micro-informatique portable. Son emploi dans le cadre de la cogénération est également intéressant aux vues de la chaleur dégagée par ces piles. Cette automobile est équipée d une pile à combustible à hydrogène (1) permettant de produire un courant électrique capable d alimenter un moteur électrique de 130 chevaux din (2). La pile à combustible est alimentée par de l hydrogène stocké à 700 bars dans des réservoirs renforcés en fibre de carbone (3). Ce stock confère au véhicule une autonomie de 400 km environ. Une batterie lithium ion (4) permet d assurer le démarrage de la voiture et de récupérer l énergie produite par le moteur durant les phases de freinage. 1/7

2 Fonctionnement de ces systèmes Les chaudières Une chaudière est composée de trois groupes fonctionnels principaux : Le brûleur C est le brûleur qui effectue la transformation du combustible en chaleur en réalisant sa combustion avec l oxygène présent dans l air. Il doit assurer en permanence une combustion la plus propre et la moins polluante possible. Pour ce faire, des dispositifs d alimentation en combustible, en comburant (air) et de contrôle de la combustion sont mis en œuvre. L échangeur de chaleur flamme fumées/eau Il met en contact thermique la flamme et la fumée chaude avec l eau basse température à réchauffer. L évacuation des produits de combustion Les produits d une combustion sont les fumées d une part. Elles sont composées essentiellement de dioxyde de carbone CO 2, de vapeur d eau H 2 O, d azote N 2 et d oxydes d azotes NOx. Les fumées sont évacuées par le conduit de cheminée. Dans le cas des combustibles solides, il y a également production d imbrûlés «les cendres». 2/7

3 Les piles à combustibles Au cœur du fonctionnement d une pile à combustible est la cellule élémentaire de base dont elle est faite. Une pile à combustible est composée de plusieurs cellules élémentaires. Cette dernière est composée de deux électrodes séparées par un électrolyte. Au niveau de l anode, le combustible est oxydé. La réaction chimique d oxydation libère des électrons (-) sur l anode qui sont acheminés par un circuit électrique extérieur vers l autre électrode. Le combustible oxydé (H + ) est attiré par la cathode à travers l électrolyte. Les électrons créés, générant ainsi un courant électrique I se déplacent de l anode vers la cathode et peuvent alors traverser une charge extérieure. Au niveau de la cathode, le comburant et le combustible oxydé sont réduits. Cette réaction chimique recombine le combustible oxydé, les électrons et le comburant. L ensemble forme le produit de réaction. La figure 1 illustre le principe de fonctionnement d une cellule d une pile à hydrogène de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) Dans ce cas, le combustible est l hydrogène, le comburant l oxygène et l électrolyte est une membrane poreuse aux ions H+. Le produit de réaction des piles à combustible utilisant uniquement le combustible hydrogène est la vapeur d eau. C est ce qui rend ce procédé particulièrement propre et respectueux de l environnement. Cependant, il convient de préciser que la plupart des piles à combustible utilisent le platine pour améliorer les cinétiques de réaction. Or le platine est un matériau rare, ce qui explique le coût financier et environnemental de ce procédé. Une pile à combustible génère une différence de potentiel à vide comprise entre 0,8 et 1,2V. Afin de fournir la tension et le courant nécessaire à la charge, il faut alors associer plusieurs cellules en série ou en parallèle. 3/7

4 Comment fonctionnent les systèmes permettant ces transformations énergétiques? Les chaudières Il existe des chaudières pour à peu près tout type d application, leur puissance commençant dans le domaine domestique à quelques kilowatts jusqu'à quelques gigawatts. Les rendements des chaudières actuelles sont compris entre 85 à 95 % sur PCI. On peut les classer en fonction de leur niveau de température et de pression. On parle de chaudières à : Eau Chaude Basse Température : température < 110 C et pression < 4 bars Eau Surchauffée : température > 110 C et pression compatible pour que l eau soit liquide. Vapeur Basse Pression : générateurs dont le timbre est inférieur à 30 bars. Vapeur Moyenne Pression : générateurs dont le timbre est compris entre 30 bars et 70 bars. Vapeur Haute Pression : générateurs dont le timbre est compris supérieur à 70 bars. On peut les classer en fonction du combustible utilisé : Combustible gazeux : Chaudière Gaz Combustible liquide : Chaudière Fioul Combustible solide : Chaudière Bois, Chaudière à charbon. 4/7

5 Les piles à combustibles Synthèse L exploitation technologique de l énergie chimique est basée sur l utilisation et la maîtrise des phénomènes d oxydoréduction. Les chaudières sont des technologies éprouvées qui peuvent utiliser tout type de combustible pour produire de la chaleur. Les développements des filières de production de combustibles renouvelables (biogaz, bioéthanol, bois, paille, résidus agricoles, déchets urbains ) se substituant aux combustibles fossiles, donnent à ces technologies l opportunité de s inscrire dans les outils permettant de lutter contre le réchauffement climatique. Du fait de leur très faible impact environnemental, la production d hydrogène à partir d une ressource renouvelable donne aux piles à combustible une place privilégiée pour se substituer : Aux batteries dans le domaine de la téléphonie mobile, de l électroportatif mobile, ou même du transport ; Aux systèmes de cogénération traditionnel à moteur thermique ou à turbine vapeur. 5/7

6 Compléments cours et rappels Chaudière gaz Le volume de référence ou Le Normal mètre/cube est souvent caractérisé par l'abréviation m³(n) ou (Nm 3 ). Mètre Cube Normal ou m 3 (n) ou (Nm 3 ) : Quantité de Gaz, exempt de vapeur d eau, qui, à une température de zéro (0) degré Celsius et sous une pression absolue de 1,01325 bar, occupe un volume de un (1) mètre cube. 1,01325 bar : c'est l'équivalent de la pression atmosphérique normale au niveau de la mer. Pouvoir calorifique Le pouvoir calorifique d'un combustible est la quantité de chaleur exprimée en kwh ou MJ, qui serait dégagée par la combustion complète de un (1) Mètre Cube Normal de gaz sec dans l'air à une pression absolue constante et égale à 1,01325 bar, le gaz et l'air étant à une température initiale de zéro (0) degré Celsius, tous les produits de combustion étant ramenés à la température de zéro (0) degré Celsius (c'est à dire à 0 C et sous une pression de mbar). Le pouvoir calorifique du gaz naturel s'exprime en MJ ou kwh par mètre cube. On distingue 2 pouvoirs calorifiques. PCS = PCI + chaleur latente d évaporation PCS = Pouvoir Calorifique Supérieur. C'est la quantité de chaleur exprimée en kwh ou MJ, qui serait dégagée par la combustion complète de un (1) Mètre Cube Normal de gaz. L'eau formée pendant la combustion étant ramenée à l'état liquide et les autres produits étant à l'état gazeux. PCI = Pouvoir calorifique inférieur. Il se calcule en déduisant par convention, du PCS la chaleur de condensation (2511 kj/kg) de l'eau formée au cours de la combustion et éventuellement de l'eau contenue dans le combustible. Chaleur latente de vaporisation. La combustion d'un produit génère, entre autres, de l'eau à l'état de vapeur. Pour la vaporisation de 1 kg d'eau, kj/kg sont nécessaires. Cette énergie se perd avec les gaz de combustion évacués par la cheminée à moins de condenser la vapeur d'eau et d'essayer de récupérer la chaleur s'y étant accumulée. Certaines techniques permettent de récupérer la quantité de chaleur contenue dans cette eau de combustion en la condensant (chaudières à condensation) 6/7

7 (masse volumique) = PCI volumique / PCI massique La puissance absorbée ou puissance calorifique est le produit du débit volumique du gaz par le PCI à pression constante du combustible exprimée en quantité de chaleur par unité de temps. P absorbée = Qv PCI volumique = Qm PCI massique Qv = débit volumique du gaz PCI = pouvoir calorifique inférieur du gaz. Qm = débit massique Energie chimique libérée par une combustion Pour les combustions, on ramène l énergie thermique libérée E ch par une combustion complète neutre à l unité de masse ou de volume du combustible brulé. Avec PC m : pouvoir calorifique massique (J kg -1 ) PC v : pouvoir calorifique volumique (J m -3 ) m : masse du combustible en kg V : volume du combustible en m 3 E ch = PC m m en Joule E ch = PC v V en Joule Remarque : conditions normales de température et de pression P= Pa et T=0 c Rappel (voir cours énergie thermique ) Puissance portée sous forme sensible Qm = débit massique du fluide en kg/s Ps = Qm Cp ΔT en Watt Cp = capacité calorifique massique en J kg -1 K -1 ΔT variation de température du fluide en C 7/7

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