Les essais de prototypes en laboratoire

Parmi les essais de prototypes en laboratoire, plusieurs travaux se distinguent. Podesser [POD99] a d’abord réalisé un banc d’essai pour tester et caractériser les performances énergétiques de son prototype de moteur Stirling de type α (ηél = 20 %) fonctionnant à partir de combustible biomasse (marc de café,

Friedl et al. [FRI10] ont réalisé un prototype d’un foyer de combustion thermoélectrique à granulés de bois innovant pour le compte de l’entreprise Bioenergy2020+. L’objectif était de tester et de caractériser les performances énergétiques du système global et du système thermoélectrique seul en régime stationnaire. La métrologie et les protocoles ne sont pas précisés. Les auteurs aboutissent à des rendements électriques globaux de l’ordre de 2 % pour une puissance calorifique de 10 kWth.

L’entreprise autrichienne ÖkoFen travaille depuis 2010 sur l’élaboration de deux prototypes de micro cogénérateurs à moteur Stirling. Ils cherchent à

intégrer les moteurs Stirling commerciaux de Microgen [MIC15] et de Qnergy [QNE15-2] dans leurs chaudières à granulés de bois respectivement : Pellematic Smart_e 0.6 [OKO15] et ÖkoFen_e Projeckt 5.0 [OKO15-2]. Le premier prototype cité (cf. Fig. II.1) a été testé entre 2010 et 2012 en laboratoire. Ces essais visaient à optimiser le transfert de chaleur entre le moteur Stirling et le brûleur et de mettre au point un système automatique de nettoyage de la tête du moteur Stirling ; l’encrassement par les fumées étant un problème majeur. Depuis fin 2014, le prototype ÖkoFen_e

5.0 est en phase de conception et de test pour son

développement technique, et pour des tests de durabilité. Aucune information sur le protocole de test n’est donnée.

Crema et al. [CRE11] ont réalisé un prototype de micro cogénérateur couplant un générateur de chaleur à granulés de bois avec un moteur Stirling (cf. Fig. II.2). Celui-ci est de type mRT-1k (He à 14 bars) et a été préconçu par Organ [ORG87]. Il a été fabriqué par les auteurs et présente une puissance nominale de 1 kWél. Un effort de conception a été réalisé sur l’échangeur de chaleur à micro-canaux pour optimiser l’échange entre les fumées et la tête chaude du moteur Stirling et maximiser les niveaux de températures effectifs. Leur banc d’essais met en œuvre une métrologie interne et externe avec des mesures de températures et de pression dans le but d’évaluer les performances thermiques et énergétiques de leur prototype.

Fig. II.2 – Moteur Stirling mRT-1K (à gauche) et schéma de principe du prototype et du banc d’essai [CRE11].

Qiu et al. [QUI12] ont réalisé un prototype consistant à coupler un moteur ORC à une chaudière à granulés de bois de puissance thermique 50 kWth. Ils étudient les performances énergétiques en régime stationnaire sur des tests d’1 à 2 h environ selon le banc d’essai d’écrit à la figure II.3. Ils mesurent principalement les températures par thermocouples et les niveaux de pression par transducteurs. Ils réalisent une étude paramétrique sur la charge de la pompe du fluide organique employée (HFE7000) de 65 à 100 %. En régime stationnaire, ils obtiennent une température maximale du fluide organique à l’entrée du moteur ORC de 118 °C, une puissance électrique maximale de 861 Wél , un rendement électrique maximum de 1,5 % et un rendement global maximal de 78 %. Ce banc est destiné à optimiser leur système énergétiquement ; ils comptent notamment l’améliorer en utilisant un alternateur et un détendeur mieux adaptés ainsi qu’un échangeur de chaleur permettant d’atteindre des températures supérieures à 180 °C.

Fig. II.1 – Vue en coupe du prototype Pellematic Smart_e 0.6 [OKO15].

Fig. II.3 – Schéma de principe du banc d’essai et points de mesure [QIU12].

Cardozo et al. [CAR14] ont étudié expérimentalement un brûleur à granulés de bois de 20 kWth connecté à un moteur Stirling de type de la marque GenoaStirling (cf. Fig. II.4). Ils ont réalisé des tests dynamiques en mesurant les puissances, les températures et les pressions toutes les 3 s. Ils ont comparé plusieurs types de granulés de bois (Ø 6 mm et Ø 8 mm) en termes des performances énergétiques et d’encrassement par imbrûlés sur la tête du moteur Stirling. Aussi, ils ont étudié l’impact de l’éloignement entre le brûleur biomasse et la tête du moteur Stirling qui est un élément de conception et de performance prépondérant. Enfin, ils ont étudié les phases instationnaires où ils constatent une baisse significative des performances énergétiques. En effet, l’échange thermique au niveau de la tête se dégrade au fil de l’encrassement progressif provoqué par la production de cendres pendant les phases de démarrage. Enfin, ils constatent la grande inertie de ces systèmes avec un temps de démarrage du moteur Stirling de 20 min et un temps d’atteinte du régime permanent de 3 h environ (cf. Chapitre IV).

Fig. II.4 – Schéma de principe hydraulique et perspective du banc d’essai en 3D [CAR14].

Creyx et al. [CRE14] ont réalisé un banc d’essais pour permettre la caractérisation expérimentale séparée des composants d’un moteur Ericsson, puis avec un couplage progressif de chaque élément. Cette unité est composée d’une chaudière à granulés de bois, d’un moteur Ericsson à cycle de Joule ouvert et d’un échangeur gaz brûlés/air pressurisé (cf. Fig. II.5). Doubs et al. [DOU15-2] travaillent avec la société

Assystem sur la conception d’un prototype original à effet Joule de moteur Ericsson à cylindrée variable de

puissance électrique nominale 1 kWél et de rendement électrique cible > 32 % (cf. Fig. II.5). A terme, ce système a vocation à utiliser un combustible biomasse. Un banc d’essai a été réalisé de manière à étudier les chambres de détente et de compression et à optimiser la conception du système [DOU15]. Les auteurs mettent notamment en œuvre des micro capteurs de température à temps de réponse rapide de manière à avoir des mesures dynamiques précises et fiables en régime instationnaire.

Fig. II.5 – Perspective du banc d’essais de Creyx [CRE15] (à gauche) et schéma de principe du moteur Ericsson biomasse d’Assystem (à droite).