Analyse et discussion des résultats de l’étude expérimentale du mo-

Une fois la puissance électrique instantanée fournie par le générateur mesurée (0.91 kW) ainsi que la durée expérimentale de décharge (1767 s), on déduit l’énergie électrique totale produite pen-dant cette phase. Elle ne vaut malheureusement que 0.44 kW h, cette faible valeur était prévisible au regard de l’infime partie de l’énergie stockée dans l’air comprimé qui est convertie en éner-gie électrique pendant la détente (voir Figure3.12). Rappelons que l’air comprimé est stockée à 180 bar afin d’augmenter sa densité énergétique, une densité qui est malheureusement en grande partie perdu au niveau du détendeur qui le ramène à une pression de 8 bar sans travail avant son entrée dans le moteur pneumatique.

Tout comme les cylindres de compression du compresseur utilisé sur le prototype expérimen-tal, le moteur pneumatique échange de la chaleur avec l’extérieur. On peut s’en convaincre en observant l’épaisse couche de givre qui se forme à la surface du moteur pendant la décharge des bouteilles d’air comprimé (voir Figure3.20). Les mesures de la température et de la pression à l’en-trée et à la sortie du moteur pneumatique, nous permettent de remonter indirectement à cette énergie thermique transférée. Les résultats de l’analyse de la détente sont regroupés dans le Ta-bleau3.6. La détente adiabatique a également été analysée afin d’avoir une base de comparaison et les résultats sont également contenus dans le même Tableau3.6; un rendement isentropique de 80% a été fixée. L’idée étant juste d’avoir l’impact du transfert thermique au niveau de la paroi du moteur sur ses performances.

De l’étude expérimentale de la détente de l’air comprimé dans le moteur pneumatique il res-sort que des 2.48 kW h d’énergie électrique convertit en énergie potentielle et stockée dans l’air comprimé pendant la charge (Figure3.12) :

• Environ 18% seulement de cette énergie est effectivement reconvertie en énergie électrique soit 0.44 kW h

• 35% de cette énergie est perdu par transfert thermique à la paroi du moteur pneumatique soit environ 0.86 kW h

• Les 47% restant sont perdus en partie lors de la détente sans travail (laminage) au niveau du détendeur et dans l’air sortant du moteur et rejeté sans l’atmosphère sans aucune valorisa-tion énergétique malgré son potentiel frigorifique non négligeable.

Si la détente se faisait par contre de manière adiabatique, l’énergie électrique produite serait multipliée par deux certes mais, ne représenterait que 10% de l’énergie contenue dans l’air com-primé. En effet, si le même moteur couplé au même générateur électrique que celui du proto-type expérimentale effectue une détente adiabatique, l’énergie électrique totale produite sera de

FIGURE3.20 : Formation du givre à la surface du moteur pneumatique pendant la détente preuve d’un transfert thermique avec l’air ambiant

0.97 kW h. Or souvenons nous que lors d’une compression équivalente à celui du prototype expé-rimental mais adiabatique(Figure3.12) l’énergie électrique convertit en énergie potentielle et sto-ckée dans l’air comprimé était de 9.55 kW h soit environ dix fois les 0.97 kW h produite pendant la détente adiabatique. Les presque 90% d’énergie restant soit environ 8.58 kW h serait perdus en par-tie par laminage mais surtout dans l’air rejeté à très basse température ;−87.6^◦C. Encore faudrait-il que le moteur puisse supporter une température aussi basse qui poserait d’énormes soucis de lu-brification.La détente adiabatique n’a donc de sens que si un préchauffage convenable de l’air est effectué à l’entrée du moteur afin de protéger ce dernier mais aussi d’augmenter son efficacité.

Malgré la faible température de l’eau chaude qui avait été obtenue lors du dimensionnement des échangeurs servant à récupérer la chaleur de compression entre les étages de compression (21.9^◦C), nous avons voulu voir l’impact qu’aurait eu un réchauffement de l’air pendant la détente.

Nous avons donc dimensionné un échangeur qui permettrait d’utiliser cette eau chaude produite pendant la compression pour maintenir une température constante de l’air à l’entrée du moteur pneumatique. Le type de matériaux est identique à celui utilisé pour les refroidisseurs (cuivre de type K) de même que les diamètres. Les résultats de ce dimensionnement sont présentés dans le Tableau 3.7.

Lorsque l’eau chaude utilisée pour le préchauffage provient d’une compression polytropique comme c’est le cas du prototype expérimental, la longueur de l’échangeur est de 5 m, elle tombe à 3.1 m lorsque l’eau chaude est issue de la récupération de la chaleur entre les étages de com-pressions adiabatique. Avec une capacité thermique de l’eau d’environ quatre fois celle de l’air, on se serait attendu à une longueur plus faible, malheureusement la température de l’eau chaude produite pendant la compression est très proche de la celle voulue pour l’air à l’entrée du moteur d’où cette longueur.

On constate également que l’impact d’un réchauffement de l’air sur l’énergie électrique pro-duite serait insignifiant. En effet, l’augmentation inpro-duite par le préchauffage est inférieure à 1% ; l’énergie électrique totale produite après préchauffage est de 0.445 kW h contre 0.440 kW h sans préchauffage. Ce qui pouvait être prévisible au regard de la très faible quantité de chaleur re-cyclée ; à peine 0.26 kW h sur les 4.82 kW h disponibles à l’issus de la phase de compression soit moins de 5%. Néanmoins, la température à la sortie du moteur dans ce cas augmente en passant de−40^◦C à−25^◦C protégeant ainsi le moteur des risques de détérioration. Le même constat a été fait pour le cas du préchauffage de l’air à l’entrée du moteur pneumatique en détente adiabatique où l’énergie électrique totale produite après préchauffage est de 1.02 kW h contre 0.97 kW h sans préchauffage. On peut donc dire que le préchauffage n’a de sens que si la température de l’eau

3.2 Résultats et discussion

TABLE3.6 : Résultat de l’étude expérimentale du moteur pneumatique couplé à l’alternateur

Paramètres Valeurs

Prototype expérimental

Pression d’entrée (bar) 7.85

Pression de sortie (bar) 1.34

Taux de compression 5.9

Température d’entrée (^◦C) 1.5 Température de sortie (^◦C) −40.7

Exposant polytropique 1.10

Rendement polytropique (%) 80.77

Coefficientα⁰ 0.33

Chaleur transférée (kW) 1.74

Puissance électrique générée (kW) 0.91 Energie électrique produite (kW h) 0.44 Chaleur totale perdue (kW h) 0.86

Détente adiabatique

Température de sortie adiabatique (^◦C) −87.6 Puissance électrique générée (kW) 1.97 Energie électrique produite (kW h) 0.97

TABLE3.7 : Résultats du dimensionnement du réchauffeur air-eau à l’entrée du moteur pneuma-tique dans le cas où l’eau chaude est issue d’une phase de compression polytropique (première partie du tableau) et d’une compression adiabatique (deuxième partie du tableau)

Caractéristiques du préchauffeur Valeurs

Prototype expérimental

Longueur échangeur (m) 5

Efficacité échangeur (%) 91.0

T_moyd’entrée d’eau dans le réchauffeur (^◦C) 21.9

Tmoyeau sortante du réchauffeur (^◦C) 21.6

Tmoyd’entrée air dans le réchauffeur (^◦C) 1.5

T_moyde sortie air du réchauffeur (^◦C) 20

Chaleur nécessaire pour le préchauffage (kW h) 0.26 L’eau chaude provient d’une compression adiabatique

Longueur échangeur (m) 3.1

Efficacité échageur (%) 77.4Tmoyd’entrée d’eau dans le réchauffeur (^◦C) 25.5

Tmoyd’eau sortante du réchauffeur (^◦C) 25.1

Tmoyd’entrée d’air du réchauffeur (^◦C) 1.5

Tmoyde sortie d’air du réchauffeur(^◦C) 20

Chaleur nécessaire pour le préchauffage (kW h) 0.26

chaude atteinte pendant la phase de compression est suffisamment élevée comparée à celle de l’air souhaité à l’entrée du train de détente. Le diagramme de la Figure3.21ci-dessous décrit la ré-partition de l’énergie qui avait été stockée dans l’air comprimé entre les pertes et sa conversion en énergie électrique dans le cas du prototype expérimental et celui où la détente se ferait de manière adiabatique sans préchauffage.

Prototype expérimental

Cas d’une détente adiabatique (simulation)

FIGURE3.21 : Diagramme de répartition de l’énergie pendant la phase de décharge des bouteilles ;

cas du prototype expérimental (à gauche) et cas d’un système où la détente de l’air dans le moteur pneumatique se ferait de façon adiabatique (à droite)