Les essais de systèmes « préséries » ou commerciaux en laboratoire

Parmi les essais in-situ de systèmes « préséries » ou commerciaux, plusieurs travaux se distinguent. Bernd [BER08] a mis en place un banc d’essais pour la réalisation d’études expérimentales et de certification. Il a notamment testé deux systèmes Stirling gaz:

le moteur Solo 161de type α à gaz ou à biomasse (modulant de 20 à 100 %), le moteur Stirling Denmark SM5A de type à gaz (non modulant).

Le banc d’essai utilisé permet des études expérimentales dynamiques et une analyse des gaz de combustion (O2, CO2, CO, NO, NO2 et imbrûlés). Le régime de températures d’entrée est variable de 40 à 75 °C (cf. Fig. II.6). Les mesures de température sont réalisées par des sondes PT100 et celles des débits massiques par des capteurs magnétiques inductifs avec un pas de temps de 1s. Bernd n’a réalisé que des essais en régime stationnaire et montre la dépendance des performances des moteurs Stirling aux températures d’entrée. A l’inverse, il montre que les moteurs à combustion interne y sont moins voire non sensibles (rendement électrique constant). Pour les moteurs Stirling, ces variations de performance s’expliquent par la diminution de l’écart de température entre la source chaude et le puits froid qui réduit le rendement de Carnot (celui-ci ne s’applique pas aux moteurs à combustion interne). Enfin, la variation du rendement global des moteurs Stirling s’explique également par la diminution de la récupération de chaleur par condensation des fumées lorsque sa température est trop élevée (cf. Chapitre III).

Plus récemment, Bernd [BER14] a réalisé des essais instationnaires en respectant la norme allemande DIN 4709 [DIN11] mise en œuvre depuis 2011 pour l’évaluation des micro cogénérateurs d’une puissance thermique inférieure à 70 kWth. Cette norme intègre un ballon tampon de 300 l et considère un essai de 24 h composé de cycles dynamiques (démarrage, régime stationnaire et arrêt) (cf. Fig. II.7). Elle permet de définir des rendements saisonniers intégrant les instationnarités des systèmes. Bernd l’a appliquée à deux moteurs à combustion interne et au moteur Stirling gaz WhisperGen (cf. Fig. II.7) en imposant la température d’entrée à 30 °C. Par rapport à des essais en régime stationnaire, il obtient des rendements électriques inférieurs de 0,5 % (9,5 % au lieu de 10 %), des rendements thermiques et globaux inférieurs de 3 %. Il conclut que la norme employée est mal adaptée à cette technologie en raison d’écarts trop faibles avec le régime stationnaire ce qui ne justifie pas la complexité de mise en œuvre, notamment au niveau du profil de charge thermique. Il propose des améliorations pour mieux intégrer les instationnarités.

Fig. II.7 – Banc d’essai réalisé selon la DIN 4709:2011 et cycle d’essais proposé par la norme DIN 4709 et appliqué au micro cogénérateur WhisperGen [BER14].

Mahkamov et al. [VEI09][ALE11] ont caractérisé les performances du moteur Stirling gaz

WhisperGen Mk Vb lors de tests dynamiques en laboratoire avec un pas de temps de 1 minute (cf. Fig.

II.8). Le banc d’essai intègre un ballon pour l’ECS de 150 l et une vanne trois voies. La métrologie se limite à la mesure du débit d’eau de refroidissement et aux températures d’eau, aux températures internes du moteur et à la température des fumées sans précisions sur les capteurs. Leur objectif est d’évaluer les performances énergétiques en régimes stationnaire et instationnaire pour calculer les gains énergétiques et économiques annuels que ces systèmes procurent par rapport à un système de référence basé sur un générateur de chaleur gaz.

Thiers et al. [THI10] proposent une étude expérimentale in situ d’un micro cogénérateur biomasse à moteur Stirling de type α : la Sunmachine Pellet (cf. Fig. II.9). Ils en déterminent les puissances thermiques et électriques en régime stationnaire ainsi que les évolutions des températures dans la chambre de combustion. La métrologie mise en place est basée sur des thermocouples de type K pour la température, sur une balance numérique pour la masse de combustible et sur un débitmètre magnétique pour l’eau de refroidissement. Ils obtiennent des rendements maximum faibles (ηél = 13,3 %, ηth = 53,5 % et

ηg = 66,8 %) éloignés des spécifications du constructeur (ηél = 25 %, ηth = 65 % et ηg = 90 %) en raison notamment des incertitudes de mesures et surtout de la grande incertitude liée à la mesure de la puissance combustible. En effet, celle-ci est grossièrement évaluée ; les auteurs pointant la difficulté d’évaluer de manière précise cette grandeur.

Fig. II.9 – La Sunmachine Pellet et schéma de principe du banc d’essai [THI10].

Lombardi et al. [LOM10] ont réalisé des études expérimentales en laboratoire sur un moteur Stirling gaz de manière à valider leur modèle numérique (cf. §II.2.2). Ils réalisent des essais en suivant un plan d’expérience basé sur les préconisations de l’Annexe 42 [BEA07] qui permet de tester un système dans toutes les configurations possibles de fonctionnement réel:

variations de la température d’eau de refroidissement d’entrée de 30 à 70 °C,

variation du débit-masse d’eau de refroidissement de 50 à 200 % du débit nominal (de 3 à 9,5 kg.s-1 ici),

tests en régime stationnaire d’au moins 30 min,

tests en régime instationnaire (démarrage, régime stationnaire et arrêt) avec : o démarrage à froid à température et débit constant,

o démarrage à froid avec rampe de température (de 25 à 70 °C) et débit constant,

o démarrage à chaud,

o répétition de démarrages (5 démarrages en 1h15).

Fig. II.10 – Schéma de principe du banc d’essai et échantillon de résultats expérimentaux [LOM10].

1: silo de granulés de bois, 2: ventilateur pour les fumées, 3: vase d’expansion,

4: vanne d’apport en granulés, 5: support de connexion électrique, 6: alimentation en granulés de bois, 7: éclairage,

8: tête du brûleur, 9: chambre de combustion,

10: tuyau d’alimentation en granulés, 11: générateur électrique,

12: échangeur à plaques,

Les auteurs décrivent en détail la métrologie mise en œuvre (cf. Tab. II.1 et Fig. II.10) :

Tab. II.1 – Métrologie employée par Lombardi et al. [LOM10].

Grandeur Capteur Incertitude

Puissance électrique - 1 %

Débit –masse de gaz Fil chaud 1 %

Débit –volume d’eau Débitmètres à roue à aubes 1,5 %

Température de surface Thermocouple type K 2,2 °C ou 0,75 %

Température d’eau Thermocouple type K 1 °C ou 0,75 %

Température de fumées Thermocouple type T 2,2 °C ou 0,75 %

Composition des fumées Analyseur 1 %

Roselli et al. [ROS11] ont étudié les performances de six micro cogénérateurs dont trois moteurs Stirling : le moteur Solo 161 à gaz ou à biomasse (modulant de 20 à 100 %), le moteur WhisperGen à gaz (non modulant) et le moteur Sunmachine Pellet à granulés de bois (non modulant ici). Divers essais ont été réalisés en régime stationnaire afin d’évaluer les performances énergétiques et l’influence de la modulation de la puissance électrique. Les auteurs ne donnent aucune information sur la métrologie ou les protocoles employés. La Fig. II.11 donne un échantillon des résultats obtenus.

Fig. II.11 – Résultats d’essais en régime stationnaire sur des moteurs à combustion interne et Stirling [ROS11].

Rogdakis et al. [ROG12] ont réalisé des essais in situ en régime stationnaire du moteur Stirling à gaz

SOLO V161. Ils évaluent les puissances thermique et électrique à l’aide d’une métrologie restreinte et non

détaillée (analyseur de gaz, thermomètre, débitmètre analogique de gaz, anémomètre et capteurs internes propres au moteur). Ils réalisent une étude paramétrique sur la pression du gaz de travail (hélium de 30 à 130 bars) et comparent les résultats numériques aux résultats expérimentaux en termes de puissances thermique et électrique, de rendements et de ratio caractéristique de puissance. Ils obtiennent des résultats en fonction de la charge de 22 à 100% (cf. Fig. II.14 page 55) sur les différentes puissances et les rendements.

Valenti et al. [VAL15] ont réalisé des essais stationnaires in situ d’un micro cogénérateur à moteur Stirling commercial non précisé. L’instrumentation employée est intrusive au moteur dans le but de comparer et valider un modèle physique de micro cogénérateur (cf. §II.2.2). Des mesures expérimentales aux bornes du système permettent de réaliser les bilans de masse et d'énergie. Des mesures internes sur les conduites d'eau et d'échappement permettent de valider le modèle numérique. Les auteurs précisent que le banc d’essai est spécifique aux micro cogénérateurs à gaz (moteurs Stirling et piles à combustibles) [CAM14]. La métrologie employée est très précise et est donnée au tableau II.2 (cf. points de mesure sur la Fig. II.12). Ils réalisent d’abord des études paramétriques sur la température d’eau de refroidissement d’entrés (30, 50 et 70 °C) en maintenant le débit-masse d’eau à sa valeur nominale (0,194 kg.s-1). Aussi, ils étudient l’influence de la pression du fluide de travail (N2 de 9 à 24 bars) (cf. Fig. II.12). Ils obtiennent un rendement électrique net mesuré de l'unité de cogénération de 9,6 % sur PCS (pour un rendement simulé de 16,6 % sur PCS) et un rendement global maximum de 94,5 % sur PCS. Enfin, ils soulignent la dépendance des performances à la température de l’eau de refroidissement (dépendance plus marquée dans le modèle numérique).

Tab. II.2 – Métrologie employée par Valenti et al. [VAL15].

Grandeur Capteur Incertitude

Puissance électrique Wattmètre (Fluke Norma 4000) 0,1 %

Débit-masse de gaz Fil chaud 1 %

Débit –volume d’eau Débitmètres à effet Coriolis 0,1 %

Température d’eau PT100 4 fils ?

Température de fumées PT100 4 fils ?

Composition des fumées Capteurs infrarouge et électrochimiques (TESTO 360) ?

Fig. II.12 – Points de mesures sur le moteur Stirling et résultats numériques et expérimentaux [VAL15].