«La récupération d énergie dans le véhicule automobile» Focus sur la récupération d énergie thermique 15/03/2011 RORIÉTÉ RENAULT
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
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 3
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 : (2008-2012 : - 5% d émissions / 1990) source : GIEC, www.ipcc.ch Grenelle 2 : (1990-2020) 4
Les évolutions du contexte automobile 2009-2010 2011-2014 2015-2020 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
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 www.gapa-pieces-auto.com Aérodynamique Resistance au roulement Freinage rincipe: valorisation des calories perdues en puissance mécanique ou électrique 6
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rincipes de conversion d énergie thermique Source chaude Détente directe Turbocompound Machine W Cycles thermodynamiques Stirling Ericsson uits froid Rankine Thermoélectricité Seebeck 8
Cycle de Ericsson R Q froid Diagramme V 3 2 1 4 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
Cycle de Stirling rincipe de fonctionnement Diagramme V 2 admission 1 4 3 échappement Robert Stirling (XIX e ) http://www.moteurstirling.com V Les contraintes pour l automobile : Manque de souplesse en fonctionnement dynamique Echangeurs de chaleur volumineux Etanchéité à assurer 10
Détente directe: Turbocompound Turbocompound mécanique MAIS plage d utilisation restreinte : dégradation du rendement du moteur en charge partielle Turbocompound électrique («boost») Turbine de détente www.cummins.com Caterpillar Engine Research Mécanique Electrique 11
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) www.its.caltech.edu 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
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
Applications stationnaires du cycle de Rankine Centrales électriques : pétrole, charbon, nucléaire ~1300MWe Nucléaire Géothermie ~1MWe http://fr.wikipedia.org http://www.geothermie-perspectives.fr micro génération cogénération 14
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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
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
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
Cycles d usage clients: exemple 70 60 URBAIN 35,0 30,0 EMBOUTEILLAGE 50 25,0 km/h 40 30 km/h 20,0 15,0 20 10,0 10 5,0 0 0,000 200,000 400,000 600,000 800,000 1000,000 temps (s) 0,0 0,000 200,000 400,000 600,000 800,000 1000,000 temps (s) Moyenne = 18 km/h - ic = 57 km/h Moyenne = 8 km/h - ic = 32 km/h 160 140 AUTOROUTIER 120,0 100,0 ROUTIER 120 100 80,0 km/h 80 km/h 60,0 60 40,0 40 20 20,0 0 0,000 200,000 400,000 600,000 800,000 1000,000 0,0 0,000 200,000 400,000 600,000 800,000 1000,000 temps (s) temps (s) Moyenne = 119 km/h - ic = 150 km/h Moyenne = 61 km/h - ic = 111 km/h 19
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
Source chaude : où récupérer? Gaz d échappement carburant Silencieux échappement Echangeur admission Radiateur Exemple Diesel Eau de refroidissement 21
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 [-] 0.6 300 Ratio "Exergy / Thermal ower" Downstream Catalyst [-] 0.5 250 0.45 0.5 0.55 250 0.45 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 200 0.5 0.55 200 0.4 C [Nm] 150 0.4 0.55 C [Nm] 150 0.45 0.35 0.45 100 0.5 100 0.4 0.45 50 0.3 0.4 0.45 0.45 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 N [rpm] 0.5 0.5 50 0.3 0.25 0.4 0.35 0.4 0.45 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 N [rpm] 22
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
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 24
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
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 26
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
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
Système de Rankine : Concepts possibles Haute Température Moteur Échappement ost-traitement G D Source froide D machine détente pompe G génératrice 29
Système de Rankine : Concepts possibles Moyenne Température Moteur Refroidissement D G Source froide D machine détente pompe G génératrice 30
Système de Rankine : Concepts possibles Double récupération Refroidissement Source froide Moteur D Échappement ost-traitement D machine de détente pompe 31
Système de Rankine : Concepts possibles Au plus près du moteur Moteur D G Source froide D machine de détente pompe G génératrice 32
Système de Rankine : Concepts possibles Evaporateur - stockeur Moteur Échappement D G Source froide D machine de détente pompe G génératrice 33
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
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
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
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
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
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
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: www.amovis.de/en/index.htm 40
Composants: machine de détente rincipe de fonctionnement Machine à pistons Scroll su 1 2 0 su 6 1 2 su 1 2 6 s=const 6 s=const s=const s=const 0 s=const s=const ex ex ex 5 4 3 3 ex ex 5 3 V=const 4 ex ex ex 5 4 3 3 V c Détente isentropique V s V V c V s Compression du fluide résiduel V Détente isentropique V s V 41
Composants: ompe ompe Dynamique Volumétrique Non lubrifiée Alternatif Lubrifiée Rotatif istons Membrane Lobes alettes Vis 42
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
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
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
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
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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
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
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
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