Intégration de la micro-cogénération dans les bâtiments Prof. Bernard FLAMENT Responsable des formations en Génie Climatique et Energétique INSA de Strasbourg Etude réalisée en collaboration avec : 1 Les points abordés Contexte et problématique Technologie des micro-cogénérateurs Modélisation d un micro-cogénérateur Intégration aux bâtiments : 1 er résultats 2 2
I. Contexte - problématique. 1.1 : Cogénération 1.11: Définition «Terme désignant tout type d installation dédiée à la production simultanée et conjointe d énergie thermique (chaleur et/ou froid) et d énergie mécanique. L installation doit être intégrée dans un environnement comportant la valorisation effective de chacune des deux formes d énergie.» Primärenergie Énergie primaire KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG COGÉNÉRATION Strom Électricité Wärme Chaleur 3 3 1.12 : Spécificité de la micro-cogénération Micro cogénération => P élec < 36 kwe Applications : Bâtiments résidentiels Petits tertiaires Finalités : Couvrir les besoins thermiques (chauffage, eau chaude sanitaire) Produire de l énergie électrique autoconsommée ou revendue 4 4
1.2 : Bâtiment à énergie positive 1.21 : Définition 5 5 1.2 : Bâtiment à énergie positive 1.22 : Exemple Bilan d énergie d une maison passive (ordre de grandeur) : hypothèses : Surface 100 m 2 / 4 personnes E finale (tous usages élec) 17 kwh m -2 an -1 E utile kwh PAC ECS (appoint) 10 kwh m -2 an -1 Chauffage (appoint) 15 kwh m -2 an -1 E finale (élec) (15+10)/3 = 8,5 kwh m -2 an -1 Pour obtenir un bâtiment à énergie positive, il faut une production supérieure à 2500 kwh par an. 6 6
1.2 : Bâtiment à énergie positive 1.23 : Comment assurer la production d énergie? a) Capteurs solaires photovoltaïques : 1 m 2 -> production annuelle de l ordre de 100 kwh 7 7 1.2 : Bâtiment à énergie positive 1.23 : Comment assurer la production d énergie? b) Modules de micro cogénération : exemple : Hybris Power (DE DIETRICH / REMEHA) Chaudière à condensation Ptherm : 21 kw Moteur STIRLING Ptherm : 5 kw Pélec : 1 kw 8 8
1.3 : Intérêt des productions décentralisées d énergie électrique? 1.31 : Constats : Evolution des pointes de consommation d énergie électrique en France depuis 10 ans (source RTE) 102 GW dont la part thermosensible est de 40 % 8 février 2012 9 9 1.32 : Intérêts des micro cogénérations? TWh Production électrique française kwh Production d une micro cogénération 10 10
1.32 : Intérêts des micro cogénérations? Avantage : Adéquation entre production d énergie et part thermosensible de la consommation électrique. Inconvénient : La production électrique dépend des besoins thermiques D où la problématique : Trouver la «meilleure» association bâtiment / microcogénération => Nécessité d outils d aide à la prescription 11 11 Ii. Technologies de micro-cogénération. 2.1) Moteurs à combustion interne Schornstein Abgaswär merekuper ator Mini-Kraft- Wärme- Kopplung Micro-cogénération Ecopower Pélec : 5 kw Ptherm : 13 kw Elektrogene rator Stromnetz 12 12
2.2) Moteurs à combustion externe : exemple du moteur STIRLING Kessel (Gas) chaudière (gaz) regenerativer Wärmetauscher échangeur régénérateur Arbeitskolben Schema eines Stirling-Motors Verdrängungskolben Micro-cogénération Whispergen Pélec : 0,7 kw Ptherm : 7 kw Thermische Energie Energie thermique Wärmetauscher zur Kühlung échangeur refroidisseur Expansionsvolumen Kompressionsvolumen elektrische Energie Energie électrique Combustibles utilisables : gaz naturel, biogaz, granulés, GPL, fioul 13 13 2.3) Pile à combustible 14 14
2.4) Technologie mise en place à l INSA : Chaudière électrogène «HYBRIS POWER» REMEHA- DE DIETRICH Chaudière à condensation MOTEUR STIRLING. Puissance thermique : 20 kw Puissance thermique : 3 à 5 kw Puissance électrique : 1 kw Poids 120 kg Encombrement : 490 x 910 x 422 mm 15 15 III. Modélisation d une micro-cogénération. (doctorat B. Andlauer) 3.1) Pourquoi un nouveau modèle? Evolutivité Source d énergie Précision Modèle de microcogénérateur Rapidité Entrée Puissance demandée Simplicitéde paramétrage Sorties Puissance thermique Puissance électrique Puissance combustible 16 16
3.2) Prise en compte des différentes phases de fonctionnement. Combustion Puissance thermique Puissance électrique Arrêt Préchauffage Fonctionnement normal Refroidissement Arrêt Temps 17 17 3.3) Approche de la modélisation retenue. => Modèle à 37 paramètres 18 18
3.4) Caractérisation expérimentale. 19 19 3.5) Validation expérimentale du modèle. 7000 Evolution de la puissance thermique 6000 Puissance thermique (W) 5000 4000 3000 2000 Modèle Mesures 1000 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Temps (s) Q_HX expérimental Q_HX 20 20
3.6) Intégration du modèle dans un environnement de simulation (TRNSYS). Micro-cogénération Bâtiment Stockage 21 21 IV. Couplage bâtiment / micro cogénération. Résultats de simulations. 4.1) Données et hypothèses Maison individuelle / Famille de 5 personnes Besoins de chauffage : localisation : Strasbourg niveau de performances : neuf et ancien Besoins d eau chaude sanitaire : suivant norme NF EN 13203-2 Besoins d électricité : suivant profil «high» de l annexe 42 de l AIE (Agence Internationale de l Energie) 22 22
4.2) Schéma du système considéré. P = 20 kw V = 250 l Micro cogénération : Moteur STIRLING : P thermique = 5 kw / Pélec = 1 kw 23 23 4.3) Résultats obtenus. Energy Need Micro-cogeneration Boiler Heating Electricity Gaz Auxiliary Heating DHW Electricity production production delivered gaz [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] delivered New house 3400 4200 5900 8190 1120 10800 330 Old house 12900 4200 5900 17300 2380 22900 1080 Rendement annuel du moteur : 86 % Production électrique : Neuf : 20 % des besoins Ancien : 40 % des besoins Autoconsommation / revente?? 24 24
Production électrique : Autoconsommation / revente?? Dans le contexte français (tarif de rachat : 8,56 c /kwh elec) nécessité d exporter plus de 1600 kwhe par an (couvrir les frais de raccordement et d abonnement) Electricity produc on [ kwh] 2500 2000 1500 1000 500 Production 1600 kwh Part autoconsommée Part exportée 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Hea ng and DHW need [kwh/year] 25 25 V. Conclusion / perspectives 4.1) Conclusion Intérêt des micro cogénérations Intérêt d un modèle dynamique Application à une maison individuelle 26 26
4.2) Perspectives Simulations avec d autres typologies de bâtiment. Autre technologie de micro cogénération : cycle Rankine combustible : granulés de bois Pélec : 0,3 à 1,6 kw Ptherm : 3 à 16 kw 27 27 Merci de votre attention 28