Clément Dumand / Wissam Bou Nader PSA Gilles Coma Renault Pascal Smague - IFPEN Groupement Scientifique Moteurs Récupération d énergie : l énergie thermique, un potentiel encore insuffisamment exploité Plénière du DAS «Enjeux et évaluation de solutions de récupération d énergie à l échappement : une analyse du GSM (Groupement Scientifique Moteur, regroupant PSA, Renault et IFPEN)» Pôle Mov eo jeudi 4 décembre 2014
Présentation du GSM GIE (Groupement d Intérêt Economique) à finalité non commerciale Créé le 24/11/80 pour 5 ans renouvelables Membres : IFPEN, PSA Peugeot Citroën, RENAULT SAS Objectifs généraux : = + + Conduire des recherches coopératives de nature précompétitive dans le domaine des moteurs d automobile et en particulier sur la combustion Contribuer à l amélioration du fonctionnement des moteurs par l acquisition de connaissances et la mise au point d outils de développement utilisables par les Bureaux d Études et les Centres d Essais des motoristes Financement des recherches via Membres + partenaires externes + aides des pouvoirs publics via soumissions de dossiers à des appels à projets Travaux en cours font parti du projet RAMSE3S (Recherche Avancée Moteurs au Service des Enjeux Economiques, Environnementaux et Sociétaux) retenu par AMI Chaine de Traction Thermique ADEME dans le cadre du Programme d Investissement d Avenir) 2
Contexte de l étude Evaluer le potentiel de la récupération d énergie à l échappement pour réduire la consommation des véhicules léger : 1. Eclairage sur les technologies de récupération d énergie à l échappement de type «heat to work» 2. Evaluation par simulation du gain potentiel en consommation de technologies «matures» et «en rupture» pour des applications véhicules légers Différents véhicules du segment A jusqu au segment D Sur des cas d'usage client Prise en compte des évolutions véhicule attendues à moyen terme (allègement, downsizing, hybridation...) 3
Ordre du jour Bilan bibliographie «heat to work» Identification des avancées technologiques et des acteurs concernés Relevé des performances obtenues récemment Evaluation du potentiel de récupération Analyse exergétique Focus sur le potentiel de la technologie Rankine en motorisation allumage commandé 4
Ordre du jour Bilan bibliographie «heat to work» Identification des avancées technologiques et des acteurs concernés Relevé des performances obtenues récemment Evaluation du potentiel de récupération Analyse exergétique Focus sur le potentiel de la technologie Rankine en motorisation allumage commandé 5
Bilan bibliographie 4 technologies majeures sont largement travaillées : Technologies Transport Biomasse Géothermie / Solaire Générateur thermoélectrique Turbo-compound et e- turbo Cycles de Rankine Cycles à air chaud WHR industrie Aéro / Spatial / Militaire D autres technologies «en rupture» émergent parmi-elles: Technologies Transport Biomasse Géothermie / Solaire Thermo-acoustique Pyro-électricité WHR industrie Aéro / Spatial / Militaire 6 Appliqué En cours d application Non appliqué
Bilan bibliographie - Générateur thermo-électrique Découverte ancienne mais exploitation récente (spatial) Nombreux projets collaboratifs multi-constructeurs ces 10 dernières années 7
Bilan bibliographie - Générateur thermo-électrique 1 er démonstration véhicule léger en 2009 par BMW Ford /BMW et Honda en 2011 2009 2011 TEG HT - spatial (1.5% NEDC) TEG HT (1.2% autoroute) 2011 TEG multi-matériaux (3% autoroute) 8
Bilan bibliographie - Générateur thermo-électrique En 2012 un TEG sans terre rare communes essence/diesel avec le projet Renoter En 2013 un TEG modulaire proposé par le partenariat BMW / Gentherm avec un objectif de 5% de gain conso sur le cycle US06 En 2013 un TEG basse température pour application Diesel chez Fiat (Ducato) 2012 2013 TEG sans terres rares (250W VL AC; 350W PL Diesel) 2013 TEG modulaire (cible 5% US06) 9 TEG basse température (2.2% NEDC, 3.9% WLTC)
Bilan bibliographie Turbocompound et e-turbo Thématique assez ancienne apparue dans l aéronautique Actualité récente dans le transport avec l électrification 1950 1990 2000 2010 2020.. Turbocompound E-turbo 10
Bilan bibliographie Turbocompound et e-turbo Turbocompound mécanique poids lourds en 1991 (Scania DTC1101) Turbocompound mécanique à turbine axiale 2002(Volvo D12) 2002 1991 TC mécanique (5% à pleine charge) TC mécanique à turbine axiale (3-5% / +10%Pmax) 11
Bilan bibliographie Turbocompound et e-turbo Turbo générateur électrique chez John Deer 2006 Turbo générateur pour VL en 2011 chez CPT Turbo électrique VU chez Iveco en 2008 Turbo électrique pour VL en 2008 Turbo électrique pour la F1 en 2014 2006 2011 Produit TC électrique pour VL 2008 TC électrique heavy duty (3-7%) 2008 Turbo électrique VU (1 à 3% sur profil urbain 5.3-6.4% sur profil autoroute) 12 Turbo électrique VL (0.5-1%) (10-15%)
Bilan bibliographie Cycle de Rankine Thématique ancienne : 19ieme siècle avec la machine à vapeur Forte activité récente pilotée par le domaine du poids lourd 1970 1980 1990 2000 2010 2020 13
Bilan bibliographie Cycle de Rankine Rankine haute performance à l eau (50bar) de Honda en 2007 Rankine basse performance à l eau (7bar) de BMW en 2012 2007 2012 Rankine HP intégré (13% à 100km/h) Rankine au R245fa Cummins en 2013 Rankine basse température Hino en 2014 2013 Rankine BP intégré (1.3-3.4% autoroute) 2014 14 Rankine organique intégré (4.3-4.7% Régional / 5.1-6% Autoroute) Rankine BT (7.5% roulage 80km/h PL)
Bilan bibliographie Cycle à air chaud Nombreux produits récents commercialisés dans le domaine : des chaudières de cogénération du solaire thermique Plusieurs acteurs positionnés sur des solutions de : Stirling α ou γ linéaire (cycle fermé) α =meilleurs rendements / complexe γ linéaire = durabilité Principales difficultés du Stirling en automobile Etanchéité Rendement avec une source chaude variable Complexité / masse / packaging Stirling α Travaux actuels sur les cycles à air chaud ouverts Stirling γ 15
Bilan bibliographie Cycle à air chaud 2013 2013 Stirling α intégré (470W @ 100km/h /14kW) Stirling α (7.6 à 9%) 2007 - Clearenergy 2001 - Whispergen 2009 - Microgen 16 Stirling α (2-9kWe @ 8-25kWt) Stirling γ à plateau tournant (1kWe @ 8.3kWt) Stirling γ à piston libre (1kWe @ 5.8kWt)
Bilan bibliographie Cycle en «rupture» D autres technologies «en rupture» commencent à émerger : Thermo-acoustique : conversion réversible de chaleur en énergie acoustique / électricité Pyro-électricité : conversion d un différentiel de température en courant électrique à l aide d une différence de potentiel électrique Thermo-acoustique (solution Hekyom) Pyro-électricité (solution Ferroenergy) 17
Bilan bibliographie Performance Performances très variables des solutions «heat to work» Variabilité des systèmes Variabilité du profil d utilisation du véhicule Variabilité du degré d intégration du système dans le véhicule Maturité des systèmes également très différente Solution Cycle de Rankine Turbocompound et e-turbo Générateur thermoélectrique Cycle à air chaud Thermo-acoustique / Pyro-électricité Gain conso potentiel 2 à 13% (selon application et intégration du système) 3 à 6% (gain à forte charge) 3 à 5% (selon matériaux et application) ~5% (transport) > 10% attendus (rendement élevé mais faible puissance) 18
Ordre du jour Bilan bibliographie «heat to work» Identification des avancées technologiques et des acteurs concernés Relevé des performances obtenues récemment Evaluation du potentiel de récupération Analyse exergétique Focus sur le potentiel de la technologie Rankine en motorisation allumage commandé 19
Simulation Analyse éxergétique Exergie = potentiel asymptotique de conversion de la chaleur en travail Simulateur d exergie sous AMESIM couplé à la base thermodynamique REFPROP du NIST Calcul des conditions énergétiques à l échappement 20
Simulation Analyse éxergétique Bilan énergétique pour différents véhicules et profils Bilan énergétique (Enthalpie ech / Exergie transférable) Appli / PF 50km/h 90km/h 130km/h 107 1.0L 1 / 0.2 5.5 / 1.8 18.3 / 5.9 Mégane 1.6 DCi 0.3 /0 3.6 / 0.6 14.8 / 2.6 C5 2.0HDi 0.5 / 0 4 / 0.7 14.5 / 2.5 Laguna 2.0T 4 / 1.3 9 / 2.8 22.1 / 7 21 Meilleur potentiel des véhicules à motorisation essence Récupération des motorisations Diesel limitée à la fois par : La T C des gaz plus faible qu en allumage commandé La T C du process récupératif généralement plus faible
Ordre du jour Bilan bibliographie «heat to work» Identification des avancées technologiques et des acteurs concernés Relevé des performances obtenues récemment Evaluation du potentiel de récupération Analyse exergétique Focus sur le potentiel de la technologie Rankine en motorisation allumage commandé 22
Simulation Rankine Allumage commandé Comparatif récup Rankine eau vs. éthanol Routière essence Méthodologie : Rankine «intégrable» => masse / encombrement modéré (10bar max) Prise en compte des contraintes véhicule (P_radiateur ; besoins électrique de bord) Hypothèses : Pincement mini / surchauffe = 80 C / T C gaz sortie mini = 150 C Puissance radiateur = f(vitesse véhicule) / T source froide 85 C Taux turbine opti et < 10 / rend is. évolutif (état de l art BMW) / rend élec = 85% Vitesse véhicule Puissance électrique nette (kw) EAU ETHANOL 150km/h 1.42 1.12 130km/h 0.74 0.74 120km/h 0.53 0.6 90km/h 0.07 0.21 70km/h 0.01 0.1 23
Simulation Rankine Allumage commandé Evaluation du gain conso (effet fluide et électrification / évolution véhicule) Hypothèses : ɳalternateur évolutif => Valéo TG15 (150A) Conso électrique du réseau bord ( 450W «veh. actuel» vs. 1500W «veh. électrifié») Véhicule actuel : Ethanol > eau pour vitesse véhicule < 130km/h Véhicule évolué (masse -10% / adiabatisation+15%) : gain >3% dès 70km/h Véhicule évolué et électrifié : 5.5% à 130km/h Evaluation des gains consommations véhicule (%) Ethanol véhicule évolué et électrifié Ethanol véhicule évolué 3.2 3.7 5.5 Ethanol véhicule actuel Eau véhicule actuel 2.3 0.2 2.9 1 2.9 24 70km/h 90km/h 130km/h
Simulation Rankine Allumage commandé Le cycle de Rankine «intégrable» (i.e. basse pression) apparaît comme une solution pertinente pour les applications VL à motorisation AC Compromis rendement / coût / complexité / intégrabilité Ses performances réelles dépendent de la prise en compte des contraintes du véhicule et de son niveau d intégration 3% à 130km/h sur un véhicule actuel routier potentiel à 5.5% pour un véhicule évolué / électrifié Le choix de l éthanol rend la récupération plus homogène L électrification avancée du véhicule est favorable aux gains conso Gain conso limité dès 90km/h par les besoins électriques de bord 25
Conclusions Nombreux travaux récents sur la récupération d énergie à l échappement mais difficultés pour une mise en œuvre (coût, complexité ) Potentiel réel mais nuancé suivant les technologies et l intégration du système dans le véhicule Les évolutions prévues à moyen terme sur les véhicules (adiabatisation échappement / électrification augmentée) sont favorables à la récupération d énergie La récupération à l échappement reste un challenge important pour les constructeurs et équipementiers 26