Ges%on op%male de solu%ons de micro cogénéra%on BOUVENOT Jean-Baptiste ICube UMR 7357 jean-baptiste.bouvenot@insa-strasbourg.fr 0388144967
Sommaire! Introduction! Micro cogénération gaz à moteur Stirling! Micro cogénération biomasse à cycle de Rankine! Optimisation! Conclusion 2
! Introduction! Micro cogénération gaz à moteur Stirling! Micro cogénération biomasse à cycle de Rankine! Optimisation! Conclusion 3
Introduc%on η el = 39 % P el = 1 500 MW η g = 39 % η el = 25-35 % P el = 0,1-100 MW η g = 70-85 % η el = 10-30 % P el = 1-10 kw η g = 80-100 % 4
Introduc%on Ou? 5
Introduc%on q Consommation globale 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 Puissance électrique [MW] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 hiver (02/01) été (15/08) Temps [h] 6
Introduc%on q Consommation individuelle 5000 Puissance électrique [W] 4500 4000 3500 3000 2500 2000 hiver (01/01) été (20/07) 1500 1000 500 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Temps [h] 7
q Evolution du ratio e/c Introduc%on 2,0 Hiver (B th = 120 kwh/m², B ECS = 25 kwh/m², B el = 30 kwh/m²) 1,5 e/c [- ] 1,0 0,5 0,0 0 12 24 36 48 60 t [h] 72 8
q Monotones (1/2) Introduc%on Monotone 100 90 80 Puissance [%] 70 60 50 40 30 20 Sans modulation idéal grande échelle petite échelle 10 0 0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760 [h] 9
Introduc%on q Monotones (2/2) Monotone Puissance [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 petite échelle 0 0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760 [h] 10
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μchp gaz S%rling q Micro cogénération gaz (1/3) Modification du modèle TRNSYS (type 253) Prise en compte de la chaudière auxiliaire aux air gaz Stirling 12
μchp gaz S%rling q Micro cogénération gaz (2/3) Nouvelle campagne d essais sur le moteur Stirling P net [W] P cond [W] 850 600 800 400 750 200 700 16 13,2 8,5 0 10,5 10,5 ṁ cw [kg.mn -1 ] 8,5 60 50 40 T [ C] 30 30 T [ C] 40 50 13,2 16 ṁ cw [kg.mn -1 ] 60 13
μchp gaz S%rling q Micro cogénération gaz (3/3) Campagne d essais sur la chaudière auxiliaire P th [W] P cond [W] 25000 2500 20000 2000 15000 1500 1000 10000 22 12 30 ṁ cw [l.mn -1 ] 35 40 50 T [ C] 60 500 0 30 35 T [ C] 40 50 22 17 12 60 ṁ cw [l.mn -1 ] 14
μchp gaz S%rling q Quelques résultats (1/6) [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 η el cycle/ η el max 0 15 30 45 60 75 90 105 120 Temps [mn] 15
μchp gaz S%rling q Quelques résultats (2/6) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% Bâtiment RÉNOVÉ [2013] 88,4% 88,7% 88,9% 89,0% 89,8% 88,5% 89,4% 81,5% Rendement électrique du moteur Stirling Rendement global du moteur Stirling Rendement de l'auxiliaire d'appoint 10% 9,9% 10,6% 10,7% 10,8% 0% 0 litres 200 litres 400 litres 600 litres 800 litres 1000 litres Volume du ballon 16
μchp gaz S%rling q Quelques résultats (3/6) 2 500 2 000 1 500 1 319 1 379 1 411 1 439 Coût électricité importée 1 000 Coût total (gaz + électricité) 500 475 465 462 458 0 130 litres 530 litres 750 litres 930 litres Volume du ballon 17
μchp gaz S%rling q Quelques résultats (4/6) 13,0% Rendement électrique du moteur Stirling 12,5% 12,0% 11,5% 11,0% 10,5% HEAT LEAD ELECTRICITY LED COST LED HEAT LED DHW 10,0% 9,5% NEUF 8 500 kwh/an RÉNOVÉ 11 500 kwh/an ANCIEN 17 500 kwh/an 9,0% 5 000 kwh/an 10 000 kwh/an 15 000 kwh/an 20 000 kwh/an 18
μchp gaz S%rling q Quelques résultats (5/6) Coût total 2 000 1 800 1 887 1 782 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 1 465 1 152 1 294 911 Autoconsommation totale (sans revente de l'électricité produite en surplus) 400 200 0 ANCIEN RÉNOVÉ NEUF ANCIEN RÉNOVÉ NEUF Montage direct "heat led DHW" Montage avec ballon de stockage de 130 litres 19
μchp gaz S%rling q Quelques résultats (6/6) 7 000 6 445 Collectif 6 000 5 000 5 474 4 937 4 944 4 000 3 000 2 000 Autoconsommation totale (sans revente de l'électricité produite en surplus) 1 000 0 Heat led Electricity led Cost led Heat led DHW Montage direct 20
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q Essais (1/7) μchp gaz Rankine 22
q Essais (2/7) μchp gaz Rankine 23
q Essais (3/7) μchp gaz Rankine 20000 18000 16000 14000 12000 Pfuel [W] QHX [W] Pgross [W] Paux [W] 2000 1800 1600 1400 1200 [W th ] 10000 8000 6000 4000 2000 1000 800 600 400 200 [W él ] 0 0 20 40 60 80 100 C load [%] 24
q Essais (4/7) μchp gaz Rankine [%] 100 90 80 70 60 0,15 [-] 50 40 30 20 10 ng [%] nth [%] nel [%] e/c [-] 0,10 0 0,05 20 40 60 80 100 C load [%] 25
μchp gaz Rankine q Essais (5/7) puissance thermique [W] 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 démarreur pompe HP + vis sans fin pompe HP QHX QHX model Pgross Pgross model Paux 2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 puissance électrique [W] 2000 500 1000 250 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temps [s] 26
q Essais (6/7) μchp gaz Rankine 140 120 100 180 170 160 NO [ppm] CO [ppm] Texh [ C] [ppm] 80 60 150 140 [ C] 40 130 20 120 0 110 20 30 40 50 60 70 80 90 100 C load [%] 27
q Essais (7/7) μchp gaz Rankine 5000 500 4500 start -up stop 450 4000 400 3500 350 [ppm] 3000 2500 2000 1500 1000 500 CO [ppm] NO [ppm] 300 250 200 150 100 50 0 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Temps [s] 28
μchp gaz Rankine q Modèle 100 η el cycle/ η el max 90 80 70 60 [%] 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 Temps [h] 5 29
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Op%misa%on q Besoins électriques et thermiques STD : seulement pour les besoins thermiques (trop lourds) Relevés in situ (trop restreints) Ø Générateurs de besoins thermiques et électriques ü Générateurs sur la base de fichiers météorologiques ü Générateurs de besoins ECS selon la norme NF ou le guide AICVF (habitations, hôtels, bureaux, etc) (Travaux de R. Bonabe De Rougé) Ø Générateurs de profils électriques en utilisant 2 grands paramètres : ü Le niveau de la base ü La pointe modélisée de manière probabiliste et aléatoire (Travaux de R. Bonabe De Rougé) 31
Op%misa%on q Composants de la plateforme d optimisation Micro cogénérateur biomasse Micro cogénérateur gaz + auxiliaire Modèle de batterie électrique (voiture électrique, stockage) type261 Modèles de ballons tampon Compteur LINKY Régulateur intelligent Type254 Ballon Type253 32
q Stratégies (1/3) Op%misa%on Paramètres d entrée : Bâtiments : individuel, collectif, tertiaire, etc Besoins de chauffage : climat, performance du bâtiment Besoins ECS : instantanée, accumulation, bâtiment Besoins électriques : niveau de la base, pointe, part «effaçable» Micro cogénérateur : modulation, puissances thermique et électrique, «inertie», technologie Montage hydraulique : direct, stockage, 2 stockages (ECS + chauffage) Stockage électrique: capacité de la batterie, voiture électrique Stratégie de commande : «heat led», «power led», «cost led» Coût des énergies : fixe, HP/HC, variable (EPEX SPOT) Coûts d investissements : micro cogénérateur, stockage 33
q Stratégies (2/3) Op%misa%on Paramètres de sorties: Coûts global Rendements : thermiques, électriques, globales Taux de couverture Taux d auto suffisance Taux d auto-consommation CO 2 34
q Stratégies (3/3) Op%misa%on Paramètres d entrées CGA opt CO 2opt kwh opt TC opt TA opt Contraintes: -CGA -CO 2 -kwh -TA -TC 35
Op%misa%on q Régulation prédictive (1/2) Régulation prédictive : identifier les habitudes et anticiper les besoins afin de pouvoir optimiser le stockage d énergie et dé-corréler les 2 besoins (intelligence artificielle : ANN, SMA) 36
Op%misa%on q Régulation prédictive (2/2) T ext (h) B th (h) B Paramètres el (h) d entrées T ext (h+n) B th (h+n) B el (h+n) Contraintes: f(cga, CO 2, kwh, TA, TC, confort) Paramètres de sorties (résultats) 37
! Introduction! Micro cogénération gaz à moteur Stirling! Micro cogénération biomasse à cycle de Rankine! Optimisation! Conclusion 38
Conclusion Première phase de la thèse achevée: Essais Développement de modèles numériques: Batterie électrique Micro cogénérateur biomasse Micro cogénérateur gaz Chaudière auxiliaire d appoint Deuxième phase de la thèse Etudes d optimisation Régulateur prédictif 39
Merci de votre attention