Etude par voies expérimentale et numérique de solutions de micro cogénération

Etude par voies expérimentale et numérique de solutions de micro cogénération BOUVENOT Jean-Baptiste FLAMENT Bernard LATOUR Benjamin SIROUX Monica

Introduction L équipe énergétique 1 professeur 5 Maîtres de conférence 3 doctorants Les moyens 1 plateforme technique : Climatherm Les activités de recherche Energétique des systèmes Thermique du bâtiment 2

Sommaire Contexte énergétique Micro cogénération gaz à moteur Stirling La machine Modèle numérique Simulations TRNSYS Stockage Régulation Micro cogénération biomasse à cycle de Rankine La machine Les premiers essais Perspectives Micro cogénération gaz Micro cogénération biomasse Optimisation Régulation prédictive 3

Evolution du ratio e/c (1/5) (1/3) Contexte énergétique e/c 1982 = 0,08 e/c 2008 = 0,19 4

Contexte énergétique Evolution du ratio e/c (2/5) 5

CONTEXTE ENERGETIQUE Evolution du ratio e/c (3/5) Pour une logement de 100 m², pour 4 personnes. kwh/m 2.an ECS + ECS lavage chauffage électricité e/c ancien 25 25 + 5 100 25 25 5 0,15 0,2 rénovation 25 25 + 5 50 25 25 5 0,25 0,3 BBC 25 25 + 5 15 25 25-5 0,45 0,6 6

e/c [-] Contexte énergétique Evolution du ratio e/c (4/5) 2,00 Hiver (B th = 120 kwh/m², B ECS = 25 kwh/m², B el = 30 kwh/m²) 1,50 1,00 0,50 0,00 0 12 24 36 48 60 t [h] 72 7

e/c [-] Contexte énergétique Evolution du ratio e/c (5/5) 5,00 Eté (B th = 120 kwh/m², B ECS = 25 kwh/m², B el =30 kwh/m²) 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 4036 4048 4060 4072 t [h] 8

Puissance [W] 7000 6000 5000 Contexte énergétique Besoins électriques (1/2) 4000 3000 2000 1000 0 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Temps en % 9

1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 21,00 22,00 23,00 24,00 25,00 26,00 27,00 28,00 29,00 30,00 31,00 32,00 33,00 34,00 35,00 36,00 37,00 38,00 39,00 40,00 41,00 42,00 43,00 44,00 45,00 46,00 47,00 48,00 49,00 50,00 51,00 52,00 53,00 54,00 55,00 56,00 57,00 58,00 59,00 60,00 61,00 62,00 63,00 64,00 [-] Contexte énergétique Besoins électriques (2/2) 0,12 Part de l énergie consommée en fonction de la puissance appelée 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Puissances appelées [W] 10

μchp gaz Stirling La machine (1/2) Modèle pré série Hybris Power de De Dietrich/Remeha 11

Machine (2/2) Banc d essai μchp gaz Stirling 12

μchp gaz Stirling Modèle numérique (1/10) Q HX = Q nom HX + c 1 T cw,i T nom cw,i nom + c 2 T cw,i T 2 cw,i + d 1 m cw m nom cw nom 2 + d 2 m cw m cw 13

Arrêt Préchauffage Fonctionnement normal Refroidissement Arrêt Combustion μchp gaz Stirling Modèle numérique (2/10) Puissance thermique Puissance électrique Temps 14

μchp gaz Stirling Modèle numérique (3/10) 15

μchp gaz Stirling Modèle numérique (4/10) 16

μchp gaz Stirling Modèle numérique (5/10) 17

μchp gaz Stirling Modèle numérique (6/10) 18

μchp gaz Stirling Modèle numérique (7/10) 19

μchp gaz Stirling Modèle numérique (8/10) 20

μchp gaz Stirling Modèle numérique (9/10) - Type 253 sous TRNSYS - Modèle dynamique - Article soumis à Applied energy : «Development and experimental validation of a micro CHP model for energy building simulations» 21

μchp gaz Stirling Modèle numérique (10/10) 22

Cas d étude (1/2) Simulations 23

Cas d étude (2/2) Simulations 24

Rendements 100,0% 90,0% 80,0% 70,0% 60,0% 50,0% 40,0% 30,0% 20,0% Stockage (1/2) Simulations Bâtiment RÉNOVÉ [2013] 88,4% 88,7% 88,9% 89,0% 89,8% 88,5% 89,4% 81,5% 10,0% 0,0% 9,9% 10,6% 10,7% 10,8% 0 litres 200 litres 400 litres 600 litres 800 litres 1000 litres Volume du ballon Rendement électrique du moteur Stirling Rendement global du moteur Stirling Rendement de l'auxiliaire d'appoint 25

Coût Simulations Stockage (2/2) 2 500 2 000 1 500 1 000 500 1 319 1 379 1 411 1 439 475 465 462 458 Coût électricité importée Coût total (gaz + électricité) 0 130 litres 530 litres 750 litres 930 litres Volume du ballon 26

Besoins (1/1) Simulations 2 000 1 800 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 0 Coût total 1 887 1 782 1 465 1 152 1 294 911 ANCIEN RÉNOVÉ NEUF ANCIEN RÉNOVÉ NEUF Montage direct avec régulation De Dietrich Montage avec ballon de stockage de 130 litres 27

Régulation (1/3) Simulations 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1 000 0 3 757 Coût total - Bâtiment ANCIEN 4 844 3 754 Heat Lead Electricity Lead Heat and electricity lead Régulation Heat/Electricity/Cost LEAD Micro-cogénérateur 1 890 Cost Lead 3 272 Régulation De Dietrich 28

Simulations Régulation (2/3) Collectif 7 000 6 445 6 000 5 000 5 474 5 474 4 937 4 944 5 004 4 918 4 000 3 000 2 000 1 000 0 Heat LEAD Electricity LEAD Heat and Electricity LEAD Cost LEAD De Dietrich Heat LEAD Cost LEAD Montage direct Montage avec ballon de stockage de 750 litres 29

Régulation (3/3) Simulations 100,0% 98,0% 96,0% 94,0% 92,0% 90,0% 88,0% 86,0% 84,0% 82,0% 80,0% Rendement global du moteur Stirling NEUF RÉNOVÉ ANCIEN 8 500 kwh/an 11 500 kwh/an 17 500 kwh/an 5 000 kwh/an 10 000 kwh/an 15 000 kwh/an 20 000 kwh/an HEAT LEAD ELECTRICITY LEAD COST LEAD DE DIETRICH 30

Simulations Conclusions - Nécessité d avoir des modèles aussi fins de chaudières gaz à condensation, et des autres solutions de référence - Nécessité d étoffer les fichiers de besoins - Nécessité d optimisation pour augmenter les performances énergétiques et économiques 31

μchp biomasse Rankine La machine (1/2) Cycle de Rankine Moteur linéaire à vapeur Le BISON P élec = 1,6 kw P th = 16 kw η él = 9 % η th = 82 % η g = 91 % e/c = 0,1 32

μchp biomasse Rankine La machine (2/2) 33

Puissance électrique [W] μchp biomasse Rankine Les essais (1/4) 1800 1600 1400 P el = 15,541 C load + 90,3 R² = 0,9867 1200 1000 800 600 400 200 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Charge [%] 34

Puissance thermique [W] μchp biomasse Rankine Les essais (2/4) 16 14 P th = 0,133 C load + 2,55 R² = 0,9842 12 10 8 6 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Charge [%] 35

Pourcentage de 02 [%] μchp biomasse Rankine Les essais (3/4) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Charge [%] 36

e/c [-] Les essais (4/4) 0,120 μchp biomasse Rankine 0,110 0,100 0,090 0,080 0,070 0,060 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Charge [%] 37

Optimisation (1/1) Pour l instant: Perspectives Environnement défini: -bâtiments -besoins de chauffage -profils de puisages ECS -climat -performance micro cogénérateur (e/c, modulation, P él, P th ) -montage hydraulique (fil de l eau, stockage, taille du stockage) CGA -stockage électrique CO (batteries, voiture électrique) -stratégie de commande 2 («heat led», «power led», «cost led») kwh TC TA 38

Optimisation (2/2) Perspectives A l avenir Environnement défini: + CGA CO 2 kwh TC TA 39

Perspectives Optimisation (3/3) Besoins thermiques et électriques Fonctions à minimiser, maximiser ou à compromiser Résultats d optimisation Plate-forme d optimisation Sous TRNSYS Simulation du système TRNSYS Optimisation du système Algorithmes d optimisation multi critères (NSGA II par ex) 40

Perspectives Micro cogénération gaz (1/2) Modification du modèle TRNSYS (type 253) Intégration de la chaudière auxiliaire aux Stirling 41

Perspectives Micro cogénération gaz (2/2) Création d un modèle de chaudière gaz à condensation sur la base de cet auxiliaire pour réaliser des études comparatives cohérentes 42

Perspectives Micro cogénération biomasse (1/1) Essais Modification du modèle : prise en compte du combustible et de ses particularités Composition chimique (CH 1,5 O 0,66 ) Production de CO PCI fonction de la composition chimique Cendres Excès d air 43

Perspectives Régulation prédictive (1/1) 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) 44

Conclusions Essais dynamiques des systèmes Modélisation numérique des systèmes Comparaison à des systèmes de référence Optimisation de l environnement d accueil de solutions de micro cogénération, trouver la combinaison gagnante : Rentabilité économique Bilan carbone Cycle de vie Taux d autoconsommation Taux de couverture 45

Merci de votre attention 46