III.1. Etude expérimentale d’un micro cogénérateur gaz
Cette étude poursuit les travaux initiés par Andlauer [AND11] qui avait déjà mené une campagne expérimentale sur un micro cogénérateur gaz. Cependant, cette campagne s’avère être incomplète avec une étude paramétrique restreinte aux conditions nominales de fonctionnement. De plus, cette campagne n’incluait pas la caractérisation du générateur auxiliaire d’appoint. Enfin, le banc d’essais nécessitait d’être retravaillé et repensé pour améliorer la précision des mesures, principalement sur les grandeurs thermiques.
III.1.1. Introduction à la micro cogénération gaz
Le combustible gaz disponible pour des applications de micro cogénération se décline majoritairement en différents éléments :
le gaz naturel : combustible fossile issu de la dégradation d’organismes vivants,
le méthane (CH4) : issu de résidus gazeux de raffinage de carburants,
le butane (C4H10) (ou GPL) : issu de résidus gazeux de raffinage de carburants,
le propane (C3H8) : issu de résidus gazeux de raffinage de carburants,
le biogaz ou bio méthane : issu de la décomposition d’organismes végétaux,
Le dihydrogène (H2) : issu de la décomposition thermique ou électrochimique d’eau, de méthane
ou de biogaz.
Le combustible gaz peut être employé dans diverses technologies de micro cogénération et sous différentes formes (cf. Chapitre I):
combustion interne dans des moteurs à combustion interne (ou à explosion) ou des turbines à gaz, combustion externe dans des moteurs dits « à air chaud » (moteurs Stirling ou Ericsson),
combustion externe dans des évaporateurs (moteurs à vapeur, moteurs Rankine, moteurs ORC), combustion externe dans des générateurs thermoélectriques ou thermophotovoltaïques, oxydoréduction dans des piles à combustible,
etc.
Comme l’état de l’art le fait ressortir, de nombreuses études expérimentales sur les micro cogénérateurs gaz à moteur Stirling ont été entreprises mais aucune ne porte spécifiquement sur le micro cogénérateur Hybris Power. La plupart concerne les moteurs WhisperGen et SOLO. Parmi ces essais, seuls Lombardi et al. [LOM10] proposent une étude détaillée combinant l’étude du régime instationnaire et de l’influence du débit et de la température de l’eau de refroidissement du moteur sur ses performances. En général, le régime instationnaire n’est jamais traité et les protocoles d’essais sont peu détaillés. Enfin, 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,
III.1.2. Caractéristiques du micro cogénérateur Hybris Power
III.1.2.1. Présentation générale du micro cogénérateur Hybris Power
Parmi les technologies compatibles avec le combustible gaz, l'étude se concentre sur un micro cogénérateur gaz à condensation à moteur Stirling : l’Hybris Power. Andlauer [AND11] le présente en détail. Une présentation rapide en est faite ici. Ce micro cogénérateur est un module permettant de produire de la chaleur et de l’électricité avec une puissance non modulable. Il s’agit d’un modèle de présérie distribué par De Dietrich Thermique et conçu par Remeha aux Pays Bas. La figure III.1 résume l’ensemble des composants du micro cogénérateur sur une vue du système ouvert ainsi que le fonctionnement du système en mettant en évidence le parcours de chaque fluide:
l’eau de refroidissement/chauffage : en gris, l’air comburant : en bleu,
le gaz : en jaune,
le mélange gaz/air comburant : en vert, les fumées : en orange.
Le moteur Stirling utilisé au sein du micro cogénérateur Hybris Power a été développé par la société Microgen qui a repris les travaux du thermodynamicien Hubert Juillet. C’est un moteur linéaire à piston et déplaceur libre et à alternateur linéaire de type Stirling-Juillet. Son innovation réside dans l’absence de liaisons mécaniques avec l’extérieur par l’utilisation d’un gaz de travail sous pression dans une chambre étanche : de l’hélium entre 23 et 36 bars ici. La transmission des efforts s’effectue de manière indirecte par la compression et la détente de ce gaz de travail entre les deux pistons.
Fig. III.1 - Description technique de l’Hybris Power [AND11].
La figure III.2 met en évidence les détails techniques du moteur Stirling de Microgen. La partie haute constitue la chambre de travail avec le piston déplaceur (2) qui met le fluide de travail alternativement en contact avec la chambre chaude (brûleur) (1) et la chambre froide (eau de refroidissement/chauffage) (4). Le fluide traverse alternativement le régénérateur (3) à chaque passage. Le mouvement alternatif du piston de travail (5) permet la production de courant au niveau de l’alternateur linéaire. L’aimant permanent (6) fixé sur la partie inférieure du piston passe en effet dans une bobine de fils (7). Le champ électromagnétique alternatif ainsi généré produit un courant électrique aux bornes de la bobine. Il est à noter que ce moteur équipe également différents systèmes équivalents d’autres constructeurs (cf. Tab. III.1).
19 20 21 22 1 : échangeur condenseur 2 : purgeur automatique 3 : échangeur à plaques ECS 4 : bloc sécurité hydraulique 5 : départ chauffage/ECS séparé 6 : départ secondaire ECS 7 : écoulement vanne de sécurité 8 : alimentation en gaz
9 : retour secondaire ECS 10 : retour chauffage/ECS séparé 11 : sortie condensats
12 : circulateur 13 : bloc gaz auxiliaire 14 : bloc gaz Stirling 15 : Venturi brûleur Stirling 16 : diffuseur d’air
17 : Venturi brûleur auxiliare 18 : vase d’expansion 19 : sortie ventouse 20 : tête du moteur Stirling 21 : partie basse du moteur Stirling 22 : ventilateur
Fig. III.2 - Descript
III.1.2.2. Etat de l’art des micro
La technologie de moteur Stir général en un moteur Stirling gaz asso
appareils de micro cogénérateurs développement.
Tab. III.1 – Systèmes de micro cogé
Fabricant Appareil Sunmachine Gas Disenco Inspirit Qnergy (ex Infinia) QCHP3500 WhisperGen EU
Cleanergy (ex SOLO) Gasbox (ex V161 De Dietrich Remeha* Hybris Power Baxi* Ecogen Viessmann* Vitowin 300-W SenerTec* Dachs Stirling SE
prête
phase d’introduction en développement abandonné
*
utilise le moteur Microgen
III.1.2.3. Fonctionnement du m
Le système est composé d’u condensation. Le premier brûleur gaz c L’eau de refroidissement circule d’abor le corps de chauffe du générateur therm chauffage selon la régulation. Le schém
Le combustible gaz alimente dans les deux blocs gaz (cf. 13 et 14 gaz, la vis de réglage du rapport air/gaz capté par l’aspiration du ventilateur (2 Le mélange est injecté ensuite dans les
1 3 6 4 5 2 7
iption technique du moteur Stirling de Microgen [AN
icro cogénérateurs gaz à moteur Stirling su
oteur Stirling gaz est relativement foisonnante sur le maassocié à un brûleur gaz d’appoint intégré. Le tabl
gaz à moteur Stirling ainsi que leurs caractéristiqu
génération à moteur Stirling gaz ou biogaz en dévelo
Puissances Rendements sur PCI
Pél [kWél] Pth [kWth] ηél [%] ηth [%] ηg [%] 1,5-3 4,5-10 25 65 90 3 12 16 76 92 3,5 14 20 83 103 1 7,5 11 86 107 161) 2-9 8-26 22-25 65-70 87-95 0,96 5,6 16 91 107 0,3-1 3,7-7,7 ?-16 ?-91 107 1 6 15 92 107 g SE 1 5,8 15 85 100