«La récupération d énergie dans le véhicule automobile»

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1 «La récupération d énergie dans le véhicule automobile» Focus sur la récupération d énergie thermique 15/03/2011 RORIÉTÉ RENAULT

2 Sommaire Introduction : les enjeux des Sciences Thermiques dans les Transports Les différents principes de la Conversion d Energie Thermique Les perspectives dans l automobile Spécificités et contraintes de l automobile La thermoélectricité Le cycle de Rankine Intégration d un système de conversion d énergie dans l environnement automobile Conclusions et perspectives 2

4 révisions sur le changement climatique Impact de l activité humaine sur le changement climatique Modélisation 3D 1750 Mesures contraignantes pour réduire les émissions des gaz à effet de serre(ges) : Ratification du protocole de KYOTO en 2005 : ( : - 5% d émissions / 1990) source : GIEC, Grenelle 2 : ( ) 4

5 Les évolutions du contexte automobile Apparition de nouvelles contraintes règlementaires fortes Emissions CO2 Euro 4 5 Euro 5 6 Euro 6 7? 130g CO 2 /km Climatisation GW < 150 GW? 95 g CO 2 /km Evolution des motorisations Véhicules avec MCI optimisé Véhicules hybrides Véhicules électriques Evolution des fonctions thermiques sous contrainte économique Amélioration MCI (diesel, essence) : downsizing, EGR H/B GMe : contrôle en température, gestion conso Gestion Thermique : couplage des circuits et des fluides 5

6 Bilan d énergie d un véhicule thermique conventionnel Gaz échappement Sortie chambre Gaz d échappement à l extérieur Rejeté vers air ambian t Carburant arois chambre de combustion Frottements Matière Huile Auxiliaires Liquide de refroidissement Habitacle Arbre moteur Transmission Aérodynamique Resistance au roulement Freinage rincipe: valorisation des calories perdues en puissance mécanique ou électrique 6

8 rincipes de conversion d énergie thermique Source chaude Détente directe Turbocompound Machine W Cycles thermodynamiques Stirling Ericsson uits froid Rankine Thermoélectricité Seebeck 8

9 Cycle de Ericsson R Q froid Diagramme V Q chaud 1 admission 2 D C John Ericsson (XIX e ) D détendeur C compresseur R - régénérateur 4 échappement V 3 Cycle/hase Compression Admission Détente Echappement Ericsson (1er, 1833) adiabatique isobare adiabatique isobare Ericsson (2ème, 1853) isotherme isobare isotherme isobare 9

10 Cycle de Stirling rincipe de fonctionnement Diagramme V 2 admission échappement Robert Stirling (XIX e ) V Les contraintes pour l automobile : Manque de souplesse en fonctionnement dynamique Echangeurs de chaleur volumineux Etanchéité à assurer 10

11 Détente directe: Turbocompound Turbocompound mécanique MAIS plage d utilisation restreinte : dégradation du rendement du moteur en charge partielle Turbocompound électrique («boost») Turbine de détente Caterpillar Engine Research Mécanique Electrique 11

12 Effet Seebeck Seebeck (1821): génération d électricité par effet thermoélectrique (TE) Matériau TE type p Matériau TE type n Source chaude I Deux groupes de matériaux TE : Matériaux basses températures (BT<250 C) Matériaux hautes températures (HT<700 C) Source froide + Gradient thermique R c 2 α ZT = T ρ λ - uissance électrique ρ - résistivité électrique, (Ω) λ - conductivité thermique, (W.m -1.K -1 ) α - coefficient de Seebeck, (V.K -1 ) ZT facteur de mérite adimensionné 12

13 Cycle de Rankine Diagramme T-s de l eau Q chaud Turbine G 2 Q chaud 3 4 Q 1 froid 1 Q froid 5 William Rankine (XIX e ) Cycle/hase Compression 1 1 Évaporation 1-4 Détente 4-5 Condensation 5-1 Rankine idéal isentropique isobare isentropique isobare 13

14 Applications stationnaires du cycle de Rankine Centrales électriques : pétrole, charbon, nucléaire ~1300MWe Nucléaire Géothermie ~1MWe micro génération cogénération 14

15 Sommaire Introduction: les enjeux des Sciences Thermiques dans les Transports Les différents principes de la Conversion d Energie Thermique Les perspectives dans l automobile Spécificités et contraintes de l automobile La thermoélectricité Le cycle de Rankine Intégration d un système de conversion d énergie dans l environnement automobile Conclusions 15

16 Spécificités et contraintes de l automobile laisir de conduite erformances / Agrément Sécurité Visibilité restations Respect de l environnement Consommation / Emissions Vie à bord Confort thermique Coût de l utilisation Fiabilité Composants Habitacle, poste de conduite HVAC Sièges Volant Vitrages lanche de bord Calculateur Habitacle, poste de conduite, sièges érimètre Thermique Approche Multi-hysique et Système Compartiment moteur GM, GME Circuits refroidissement / AC Fluides (air, eau, huile, réfrigérant) Echangeurs Sous- caisse Sous-caisse Batteries Echappement Compartiment moteur 16

17 Spécificités et contraintes de l automobile LES DEUX CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT Le démarrage à froid accélérer la mise en température de l habitacle calories en climat froid, frigories en climat chaud (confort) le dégivrage et le désembuage des vitres (visibilité / sécurité) la montée en température du moteur pour réduire les frottements et optimiser la combustion (réduction consommation / émissions) l obtention de la température d amorçage du système de post-traitement (dépollution) Le fonctionnement à chaud maintenir un bon refroidissement des composants et des fluides sous toutes les conditions de roulage (fiabilité) les températures optimales (confort, visibilité, consommation, émissions, performance) 17

18 Spécificités et contraintes de l automobile LES HASES TRANSITOIRES ET LA DYNAMIQUE les phases transitoires sont fréquentes Trajets courts : 50% des trajets durent moins de 5 mn l usage véhicule : Les échanges convectifs avec l air extérieur sont variables Le couple / régime variable LE DEVELOEMENT A L INTERNATIONAL satisfaire des conditions climatiques extrêmement variables en température, ensoleillement, humidité relative, et poussières 18

19 Cycles d usage clients: exemple URBAIN 35,0 30,0 EMBOUTEILLAGE 50 25,0 km/h km/h 20,0 15, ,0 10 5,0 0 0, , , , , ,000 temps (s) 0,0 0, , , , , ,000 temps (s) Moyenne = 18 km/h - ic = 57 km/h Moyenne = 8 km/h - ic = 32 km/h AUTOROUTIER 120,0 100,0 ROUTIER ,0 km/h 80 km/h 60, , ,0 0 0, , , , , ,000 0,0 0, , , , , ,000 temps (s) temps (s) Moyenne = 119 km/h - ic = 150 km/h Moyenne = 61 km/h - ic = 111 km/h 19

20 Valorisation des rejets Récupération ou conversion d énergie : technologies Energies utilisées ENERGIE Echangeur Chaleur ~33% ~33%Echappement ~33% ~33% Thermoélectricité Electricité Cycle Thermodynamique Energie Mécanique ou électrique 20

21 Source chaude : où récupérer? Gaz d échappement carburant Silencieux échappement Echangeur admission Radiateur Exemple Diesel Eau de refroidissement 21

22 0.35 Sources chaudes otentiel de récupération de l énergie Gaz d échappement Amont turbine Aval post-traitement 300 Ratio "Exergy / Thermal ower" Upstream Turbine [-] Ratio "Exergy / Thermal ower" Downstream Catalyst [-] C [Nm] C [Nm] N [rpm] N [rpm] 22

23 Sources froides Air ambiant Eau de refroidissement moteur Bloc moteur Cond. Clim. Echangeur SR Radiateur Cond. Clim. Radiateur Aérotherme air Echangeur SR air eau SR système de récupération d énergie 23

25 Thermoélectricité dans l automobile : Optimisation / Enjeux Association de matériaux adaptés à différents niveaux de T Etude matériaux Gaz Eau uissance électrique non toxicité, ressources disponibles, flexibilité procédé de mise en forme des matériaux performances : ZT et plage de température erformance globale du système efficacité des échangeurs et performance des matériaux tenue mécanique Impact sur la Contre ression Echappement Gestion de l énergie produite Coût / gain conso (cycle client, type de véhicule) 25

27 Rankine dans l automobile Choix source de chaleur source froide fluide de travail récepteur d énergie Optimisation composants modèles (boucle, composants, système / véhicule) intégration (boucle, sources chaude et froide, véhicule) gestion de l énergie produite Coût / Gain conso (système, type de véhicule) 27

28 Système de Rankine : Concepts possibles Haute T C ost-traitement G D nouveaux composants HT D G Récupération optimisée Technologie existante MT D G Complexité D G Moyenne T C Complémentaire échappement D G Très haute T C ost-traitement pénalisée ost-traitement D Moyenne T C C d D Simplification Conflit avec la climatisation D G Stockage thermique Complexité 28

29 Système de Rankine : Concepts possibles Haute Température Moteur Échappement ost-traitement G D Source froide D machine détente pompe G génératrice 29

30 Système de Rankine : Concepts possibles Moyenne Température Moteur Refroidissement D G Source froide D machine détente pompe G génératrice 30

31 Système de Rankine : Concepts possibles Double récupération Refroidissement Source froide Moteur D Échappement ost-traitement D machine de détente pompe 31

32 Système de Rankine : Concepts possibles Au plus près du moteur Moteur D G Source froide D machine de détente pompe G génératrice 32

33 Système de Rankine : Concepts possibles Evaporateur - stockeur Moteur Échappement D G Source froide D machine de détente pompe G génératrice 33

34 Système de Rankine : Concepts possibles Cascade Échappement Moteur HT D G MT D machine de détente Refroidissement D G pompe G génératrice Source froide 34

35 Système de Rankine : Concepts possibles Couplage avec la climatisation : condenseur commun Air habitacle d Source chaude Climatisation Rankine D D machine de détente C d - détendeur C - compresseur pompe G génératrice 35

36 Architectures mécaniques possibles Travail mécanique Travail électrique Moteur Echappement Echappement Moteur D G D Source froide Source froide Travail électrique / pompe mécanique Echappement G D Moteur Source froide 36

37 Spécification du fluide de travail Bonne capacité de transfert de chaleur Moindre influence sur l environnement (GW, destruction d ozone ) Non inflammable Non corrosif Non toxique Bas coût Types de fluide Détente Sèche Détente Humide Fluide sec Fluide humide 37

38 Fluide de travail Fluides possibles : NH 3, Eau, fluides organiques! CFC: rotocole de Montréal erformances : Fluide organique : T chaud <400 C L eau : T chaud >400 C MAIS gel, corrosion, lubrification, faible viscosité η exp =1, η p =1, T=10K; T=25K pour l eau Source: B.Aoun, 2010, Ecole des Mines de aris 38

39 Composants: échangeurs de chaleur Evaporateur/Condenseur dans l automobile Échangeur à plaques (échangeurs A/C) Tubes/ailettes (radiateur face avant) Tubes/calandre (EGR à eau) Source:ibluegroup.org/Equipments.aspx Source: wapedia.mobi/fr/radiateur Source: commons.wikimedia.org/wiki/file:u-tube_heat_e... 39

40 Composants: machine de détente Scroll istons Analogie avec technologie compresseur climatisation Turbine Critères du choix: lubrification, taille, taux de détente, viscosité du fluide, débit Source: ULG Source: 40

41 Composants: machine de détente rincipe de fonctionnement Machine à pistons Scroll su su su s=const 6 s=const s=const s=const 0 s=const s=const ex ex ex ex ex 5 3 V=const 4 ex ex ex V c Détente isentropique V s V V c V s Compression du fluide résiduel V Détente isentropique V s V 41

42 Composants: ompe ompe Dynamique Volumétrique Non lubrifiée Alternatif Lubrifiée Rotatif istons Membrane Lobes alettes Vis 42

43 Modélisation du système Rankine Echangeurs : Trois zones d échange Estimation des coefficients d échange Estimation des pertes de charge : Attention CE (Contre ression Echappement) Méthode ε-ntu: estimation de la taille d échangeur T T h,s T f,e Evaporateur Liquide L+V Vapeur Source chaude Fluide de travail T h,e T f,s Q Qmax ( T T ) Q = mc p ε h, e f, e min ε = NTU Q U A mc p = min A surface d échange totale de l échangeur U coefficient d échange global ε efficacité globale 43

44 Modélisation du système Rankine ompe η is = W pp, is W pp Rendement isentropique T s s W pp uissance réelle de la pompe W pp, is η méc uissance isentropique de la pompe Rendement mécanique T e e m η vol Rendement volumétrique 44

45 Modélisation du système Rankine Machine de détente Frontière du système : pertes de charge à l entrée / sortie de la machine S=cnst V=cnst m h e e e1 s m h Q Q e; s s e e entrée s sortie W exp Q Q s e e2 s2 s1 s : échange par convection avec la paroi e2-s2 : détente du fluide détente isentropique détente à volume constant Q amb Q amb: échange de chaleur avec l ambiance m h = W exp Q amb Bilan d énergie f Qe + Qs Qamb W = 0 Bilan des pertes 45

46 Modélisation du système Rankine aramètres du système m gaz (kg/s) T gaz ( C) Evaporateur T ev ( C) f, su (a) N pp (1/min) f, ex (a) M f (kg/s) N exp (1/min) D G T cw ou T air ( C) m cw (kg/s) Condenseur Aa Aa aramètres externes aramètres internes Gain: jusque 10% selon l usage (embouteillage, urbain, route, autoroute), l architecture ( source chaude, source froide, ) et le concept 46

47 Sommaire Introduction: les enjeux des Sciences Thermiques dans les Transports Les différents principes de la Conversion d Energie Thermique Les perspectives dans l automobile Spécificités et contraintes de l automobile La thermoélectricité Le cycle de Rankine Intégration d un système de conversion d énergie dans l environnement automobile Conclusions et perspectives 47

48 Intégration d un système de conversion d énergie Doit prendre en compte : La phase de montée en température moteur et de mise en température de l habitacle L efficacité du système de post-traitement La gestion thermique globale et l interaction avec les autres systèmes L impact sur l architecture, le poids et le coût La Contre ression Echappement L utilisation de l énergie produite 48

49 Sommaire Introduction: les enjeux des Sciences Thermiques dans les Transports Les différents principes de la Conversion d Energie Thermique Les perspectives dans l automobile Spécificités et contraintes de l automobile La thermoélectricité Le cycle de Rankine Couplage d un système de conversion d énergie dans l environnement automobile Conclusions et perspectives 49

50 Conclusions et perspectives Rankine Choix du fluide de travail : performance, fiabilité, sécurité, Composants : machine de détente, échangeurs thermiques, Système : contrôle Seebeck Matériaux thermoélectriques (performance, dopage, conductivités, non toxicité, ressources disponibles, flexibilité) rocédé de mise en forme Optimisation couplage échangeurs matériaux TE Intégration dans le véhicule : masse, encombrement, interaction avec les autres systèmes véhicule Gestion thermique globale : localisation sources chaude et froide, énergie produite, Coût 50

51 Conclusions et perspectives 2/3 énergie perdue vers l extérieur Valorisation: convertir l énergie perdue en travail utile (mécanique ou électrique) Gain en consommation et puissance additionnelle Complémentaire de la récupération de l énergie de freinage S intègre dans le concept global thermique (couplage) 51

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