Les field tests de systèmes « préséries » ou commerciaux

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

II.1.2.3. Les field tests de systèmes « préséries » ou commerciaux

Parmi les field tests de systèmes « préséries » ou commerciaux, plusieurs travaux se distinguent. Entchev et al. [ENT04] ont testé pendant deux saisons (hiver et printemps) un moteur Stirling WhisperGen couplé à un bâtiment test. Ce bâtiment du centre canadien des technologies résidentielles du bâtiment (CCTR) à Ottawa est instrumenté et les charges électriques y sont simulées à l’aide de résistances électriques. Ce micro cogénérateur a une puissance électrique nominale de 736 Wél pour une puissance thermique de 6 500 Wth et est associé à un ballon de stockage thermique monté en série du micro cogénérateur. Le banc d’essai n’est pas détaillé. L’objectif des essais est d’évaluer les performances énergétiques saisonnières de ce système dans le contexte canadien. Les auteurs ont réalisé 39 essais dynamiques avec des conditions limites et initiales différentes (non précisées).

Le programme britannique Carbon Trust [CAR07] [CAR11] propose une méthodologie pour réaliser des field tests détaillés de micro cogénérateurs. Ce programme a instrumenté 87 installations de micro cogénération sur différents sites à travers le Royaume-Uni. Parmi ces sites, 72 sont des installations résidentielles et 15 sont dans le secteur tertiaire. L’enjeu est d’évaluer la variation saisonnière des consommations et des performances des micro cogénérateurs sur chaque site sur au moins une année. Les unités testés se composent de dix systèmes à gaz différents se répartissant en trois technologies : moteur à combustion interne, pile à combustible PEMFC et moteurs Stirling. Les bâtiments résidentiels sont essentiellement équipés de moteurs Stirling (WhisperGen Mk4, Mk5 ou Microgen), la majorité des systèmes installés étant les systèmes WhisperGen. Le protocole de mesure consiste à acquérir les différents paramètres au pas de temps de 5 minutes (cf. Fig. II.13). Ils déterminent notamment :

des bilans énergétiques mensuels et annuels (énergie, rendements, autoconsommation, autoproduction (de 40 à 55 %)),

les gains en réduction d’émission de CO2 en comparaison avec une situation de référence (générateur thermique gaz à condensation et réseau électrique). Ils montrent notamment qu’une mauvaise mise en œuvre et un mauvais rendement global peut conduire à des hausses des émissions de CO2 comparé au système de référence,

l’impact des temps de cycles et des courts cycles sur les rendements (cf. Chapitre III), les gains en termes de coûts d’exploitation.

Fig. II.13 – Schéma du protocole d’essai (à gauche) et de traitement des données (à droite) [CAR07].

Kuhn et al. [KUH08] ont réalisé une étude bibliographique des field tests réalisés sur des moteurs Stirling en Allemagne, en France, aux Pays-Bas et au Royaume Unis. Ils citent un field test réalisé à Berlin sur le micro cogénérateur à moteur Stirling gaz SOLO 161 de 2005 à 2008 (cf. Fig. II.14) et un autre réalisé de 2007 à 2009 sur le micro cogénérateur à moteur Stirling gaz WhisperGen. L’objectif était d’évaluer le fonctionnement en termes de fiabilité et de performances énergétiques en conditions réelles et variables (notamment en termes de régimes de température et d’instationnarités). Les performances en régime stationnaire du moteur Stirling SOLO sont données selon les travaux de Kuhn et comparées à celles de Rogdakis [ROG12] en fonction de la température d’entrée de l’eau de refroidissement.

Conroy et al. [CON14] ont exploité les données d’un field test mené sur un moteur Stirling

WhisperGen Mk4 par le programme Carbon Trust [CAR07] dont la métrologie n’a pas été précisée. Ce

field test concerne une maison individuelle jumelée de type F4 en Irlande du Nord. Une première campagne de mesure a été menée avec un pas de temps de 30 min, mais ce pas de temps trop grand s’est avéré incompatible avec une analyse fine de la dynamique des systèmes notamment pendant les phases de démarrage et d’arrêt. Une deuxième campagne de mesure au pas de temps 5 min a permis de caractériser précisément les performances de ce micro cogénérateur en régimes stationnaire et instationnaire et principalement pendant les 25-65 premières minutes (cf. Fig. II.15). Ces tests ont permis d’évaluer l’impact d’un fonctionnement réel et l’effet saisonnier sur les performances du micro cogénérateur. Les auteurs obtiennent des rendements moyens mensuels de 6,1 % (juin et juillet 2004) à 9,1 % (décembre 2004) pour un rendement nominal en régime permanent de 9,5 %.

Fig. II.15 – Résultats de field tests du moteur WhisperGen IV [CON14].

En 2008 et 2009, ENGIE (ex GDF) a réalisé des field tests sur un parc de 40 micro cogénérateurs gaz à moteur Stirling Hybris Power de De Dietrich Thermique installés dans des bâtiments d’habitation de la région Rhône-Alpes. Les bâtiments sont instrumentés au pas de temps minute au niveau de la mesure de l’énergie électrique (produite, importée et exportée), de la consommation de gaz, de la température ambiante, de la température du ballon d’ECS et de la consommation en ECS (en termes de volumes de puisage) (cf. Fig. II.16). Vuillecard et al. [VUI11] ont traité ces données agrégées pour étudier l’interaction des micro cogénérateurs avec les bâtiments et le réseau électrique. Ils aboutissent notamment à un taux d’autoproduction moyen de 53 % et à une réduction de la pointe électrique d’injection maximum de 17 %.

De Dietrich et GrDF [DED12] [MUL13] ont réalisé à partir de 2010 un field test portant sur une

centaine de micro cogénérateurs gaz à moteur Stirling Hybris Power. Six sites ont fait l’objet d’une instrumentation détaillée par le laboratoire CRIGEN et 18 sites par le COSTIC [COS15] (dont 17 maisons individuelles et un logement collectif) sur la période 2011-2014. L’objectif est d’évaluer le fonctionnement et les performances saisonnières réels de ces systèmes en termes de rendements thermiques, d’autoproduction, d’autoconsommation, de couverture des besoins électriques et de réduction de la pointe électrique d’appel sur le réseau. Ils aboutissent notamment à :

des rendements électriques annuels de 8,3 à 12,8 % pour un rendement nominal de 14 %, des taux d’autoconsommation électrique annuels de 29 à 97 % avec une moyenne à 59 %, des taux de couverture électrique de 2,5 à 84 % avec une moyenne à 30 %.

ÖkoFen [OKO15] a commencé à réaliser des field tests en Autriche fin 2012 (encore en cours en 2015)

sur son micro cogénérateur à moteur Stirling et à granulés de bois Pellematic smart_e 0.6 (cf. Fig. I I.17) sans décrire la métrologie ni les protocoles mis en place. Ils obtiennent dans une configuration favorable des taux d’autoconsommation électrique de 80 % et des taux de couverture des besoins électriques de 70 %. Les premiers field tests du second système en projet (ÖkoFen_e 5.0) sont prévus pour 2016 [OKO15-2].

Fig. II.17 - Résultats de field tests du micro cogénérateur Pellmatic Smart_e 0.6 [OKO15].

II.1.2.4. Les essais normatifs

Différentes normes sont mises en place au niveau international pour la certification des systèmes commerciaux à destination des marchés nationaux ou internationaux. Angrisani [ANG14] et Sasso et al. [SAS14] ont récemment établi un état de l’art des normes existantes dans le cadre des travaux de l’annexe 54 [IEA14] sur l’intégration des systèmes de micro génération dans les bâtiments. Ils relèvent six normes existantes ou en cours d’élaboration.

D’abord, aux Etats Unis, l’ASHRAE propose la norme SPC 204 : Method of Test for Rating Micro

Combined Heat and Power Devices (révisée en 2010) [ASH10]. Elle fournit une méthode d'essai pour

déterminer les performances électriques (rendement électrique net) et thermique de micro cogénérateurs. La norme spécifie le matériel et la métrologie requis, les protocoles d’essais et les règles de calculs.

Le Royaume Uni possède une norme d’essais depuis 2008: Publicly Available Specification 67 (PAS 67): Laboratory tests to determine the heating and electrical performance of heat-led micro-cogeneration

packages primarily intended for heating dwellings [BSI13]. Elle propose de mesurer les performances

énergétiques des micro cogénérateurs régulés sur le suivi des besoins thermiques sous plusieurs conditions de charges thermiques. Elle définit les conditions d’essais, les règles de calculs et la métrologie nécessaires (avec les incertitudes limites) en définissant trois configurations (chauffage seul, production de chauffage et d’ECS instantanée, production de chauffage et d’ECS accumulée). La norme propose une extrapolation annuelle des résultats sur les émissions de CO2 par une méthode de calcul basée sur des ratios d’émission en kgCO2/kWhth.

production consommation

En Italie, une proposition de norme est en cours: UNI E0204A073 : Micro cogeneration devices

fuelled by gaseous or liquid fuels – Ex-ante measurement of energy performance [IEA14]. Cette proposition de

norme concerne les micro cogénérateurs d’une puissance électrique inférieure à 50 kWél et régulés sur le suivi de la demande thermique. La norme propose des tests en régimes stationnaire (au moins 1 h) et instationnaire selon des profils de charge thermique définis pour trois jours types (mi saison, été et hiver) au pas de temps horaire. Une extrapolation annuelle est réalisée en utilisant des facteurs multiplicatifs pour chaque jour type selon la zone climatique. La norme définit les conditions d’essais : températures, pression, régime de température de chauffage de 50/30°C à 75/60 °C, débit de l’eau de refroidissement, etc. Enfin, elle fournit les règles de calculs et la métrologie à mettre en place avec les incertitudes limites (les calculs énergétiques sont basés sur le PCS du combustible).

L’Allemagne a mis en place depuis 2011 une norme spécifique aux micro cogénérateurs : DIN 4709 (2011-11) [DIN11] : Determination Of The Standard Efficiency Factor For Micro-CHP-appliances Of Nominal

Heat Input Not Exceeding 70 kWél. Celle-ci propose un protocole d’essai dynamique basé sur un profil de charge défini sur 24 h (cf. Fig. II.7 page 51). Le protocole permet d’obtenir des mesures réalistes intégrant les effets des cycles, les pertes thermiques du stockage et les effets de la régulation (variation de la température de l’eau de refroidissement selon la charge thermique). Cette norme spécifie les conditions de références (pression, température, protection à l’ensoleillement) ainsi que la métrologie et les incertitudes limites.

Le Japon possède des normes d’essais industrielles sur les micro cogénérateurs gaz : JIS B8122 :

Test Methods for Measuring Performance of Cogeneration Units [JIS09]. Celle-ci met en œuvre des essais

instationnaires (démarrage) et stationnaires (au moins 3 h) avec variation de charge ainsi que des protocoles de mesure des émissions de polluants.

L’Europe a mis en place une norme à partir de 2008 sur les piles à combustible ; norme qu’elle a modifiée en 2011 pour intégrer les moteurs Stirling et les moteurs à combustion interne : EN 50465:Gas

appliances – Combined heat and power appliance of nominal heat input inferior or equal to 70 kWel [ECS15].

Elle donne le protocole d’essais et la métrologie (avec les incertitudes limites) à mettre en place pour des essais en régime stationnaire. La norme distingue deux régimes de températures de chauffage : 50/30 °C pour les systèmes à condensation et 80/60 °C pour les systèmes sans condensation. Enfin, elle donne une règle de calcul pour la détermination du rendement global nominal calculé sur le PCI du gaz et qui doit dépasser 80 %. Le rendement électrique calculé est le rendement net par soustraction des consommations des auxiliaires électriques.