« Personne ne croit une nouvelle théorie sauf le théoricien qui l’a développée. »
IV.1. Etude expérimentale d’un micro cogénérateur biomasse
IV.1.1. Introduction à la micro cogénération biomasse
Dong et al. [DON09] ont recensé les technologies de micro cogénération compatibles avec un combustible biomasse. Ils concluent qu’il peut être appliqué à la plupart des technologies listées au Chapitre I. Ils décrivent différents processus de conversion énergétique de la biomasse :
combustion directe pour la génération de vapeur (chaudière, poêle, foyer atmosphérique, ORC,
etc.),
gazéification de la biomasse permettant de produire du gaz de synthèse,
pyrolyse de la biomasse permettant de produire des gaz de synthèse ou du bio-charbon (utilisée principalement avec des déchets : paille, canne à sucre ou déchets végétaux),
processus biochimiques permettant de générer des biocarburants à base de biomasse (huiles ou biodiesel).
La biomasse solide peut ainsi produire un combustible gazeux ou liquide et être utilisée avec l’ensemble des technologies de micro cogénération (cf. Tab. I.5 page 32). Karellas et al. [KAR08] présentent par exemple une étude expérimentale sur le couplage d’un gazéificateur de biomasse couplé à une pile à combustible SOFC et à une micro turbine (Capstone). Ils obtiennent des rendements électriques équivalents par rapport à un combustible gaz conventionnel, cependant, les rendements globaux sont inférieurs en raison du processus supplémentaire de gazéification (rendements globaux de 70 à 85 %). Son utilisation la plus simple reste les moteurs à combustion externe tels que les moteurs Stirling, les moteurs Ericsson, les moteurs ORC ou les moteurs à vapeur (cf. Chapitre I).
Comme l’état de l’art le fait ressortir, le comportement et les performances des systèmes de micro cogénération biomasse, et plus précisément des moteurs à vapeur, sont encore peu connus et peu étudiés (cf. Chapitre II). L’analyse bibliographique a relevé onze études expérimentales sur huit prototypes et trois systèmes de préséries ou commerciaux à moteur Stirling. Parmi ces systèmes de préséries, les micro cogénérateurs biomasse Pellet de Sunmachine et Pellematic Smart_e 0.6 d’ÖkoFen ont fait l’objet d’études expérimentales conséquentes mais celles-ci s’avèrent encore incomplètes et peu détaillées. Thiers
et al. [THI10] ont travaillé sur la Sunmachine Pellet et ont uniquement caractérisé ses puissances
thermique, électrique et combustible en régime stationnaire. Ils n’ont considéré qu’une variation de température d’eau de refroidissement. De plus, ils ont rencontré des difficultés à évaluer précisément la puissance du combustible « granulés de bois » ce qui affecte la détermination précise des différents rendements énergétiques. L’entreprise ÖkoFen [OKO15] a uniquement réalisé des field tests sans détailler la métrologie ni les résultats. Enfin, même si la spécificité liée au combustible biomasse n’y est pas traitée particulièrement, les travaux de Lombardi et al. [LOM10], de Valenti et al. [VAL15] et de l’Annexe 42 [BEA07] proposent les protocoles d’essais les plus détaillés, les plus complets et les plus adaptés aux objectifs de ce travail de thèse, à savoir :
caractérisation du comportement stationnaire, caractérisation du comportement instationnaire, caractérisation des émissions de polluants,
sensibilité à la température de l’eau de refroidissement, sensibilité au débit de l’eau de refroidissement,
IV.1.2. Caractéristiques du micro cogénérateur BisON
IV.1.2.1. Présentation générale du micro cogénérateur BisON
Le micro cogénérateur biomasse étudié est le micro cogénérateur à moteur à vapeur BisON à l’état de système présérie. C’est un prototype conçu à l’origine par la société autrichienne OTAG depuis 2000 dont le développement a été repris ensuite par la société Button Energy puis par l’entreprise énergétique française Exoès depuis 2011.
Le micro cogénérateur biomasse BisON est un système énergétique permettant de produire de la chaleur et de l’électricité avec une puissance modulable de 20 à 100 %. Il est principalement composé d’un moteur à vapeur à piston et alternateur linéaires associé à un évaporateur et une chambre de combustion à granulés de bois. La figure IV.1 montre une vue globale du micro cogénérateur capot ouvert.
1 : alimentation en granulés de bois 6 : moteur à vapeur linéaire 11 : pompe circuit primaire 2 : évacuation des fumées 7 : pompe haute pression 12 : réservoir tampon
3 : ventilateur 8 : réservoir 13 : bouteille à air comprimé
4 : générateur de vapeur 9 : filtre 14 : réchauffeur
5 : extracteur de cendres 10 : échangeur de chaleur primaire 15 : pompe circuit secondaire
Fig. IV.1 - Perspective du BisON.
La figure IV.2 présente l’ensemble des composants importants présents sur le micro cogénérateur
BisON. En particulier, les six dernières images montrent les composants de l’évaporateur démonté à
l’occasion d’une opération de maintenance. Ces images montrent les volets d’apport d’air secondaire et l’emplacement du capteur de lumière sur la conduite d’alimentation en granulés de bois. Sur la huitième image apparait le servomoteur avec le volet rotatif qui contrôle le débit d’air secondaire qui pénètre dans la chambre de combustion. La dernière image montre le foyer où tombent les granulés de bois à l’intérieur du serpentin de l’évaporateur et au fond duquel se trouve le cendrier. L’air primaire passe par la face inférieure de cette pièce.
13 14 15 8 6 4 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
1 : réchauffeur électrique 2 : échangeur coaxial 3 : débitmètre
4 : pompe circuit primaire 5 : bouteille à air comprimé 6 : compresseur
7 : pompe doseuse
IV.1.2.2. Etat de l’art des micro
La technologie de micro cogéné positionnent sur ce marché (cf. Tab. I combustible : ce sont des modules à thermique, etc.). Le tableau IV.1 recen biomasse) ainsi que leurs caractéristiqu
1 7 8 13 12 11
8 : filtre 15 : volet d’ai
9 : pompe haute pression 16 : entrées d 10 : capteur de lumière aileté 17 : isolant 11 : servomoteur du volet d’air 18 : diffuseur 12 : paroi pariétodynamique 19 : serpentin
13 : ventilateur 20 : cendrier
14 : position capteur de lumière 21 : serpentin
Fig. IV.2 – Composants du BisON.