L’unité de micro-cogénération à moteur Stirling

L’unité de micro-cogénération mise en œuvre dans le banc d’essai réalisé est la « Sunmachine Pellet », fournie par MAB Entreprise – SUNMACHINE France. En raison du manque de maturité de la technologie des systèmes de micro-cogénération à moteur Stirling, l’unité mise en œuvre était une version pré-commerciale. Par conséquent, sa puissance était bridée et la campagne d’essai a montré que sa régulation interne n’était pas optimale (voir § 3.6.1). Néanmoins, l’étude de cet équipement a permis d’obtenir une première idée du fonctionnement et du comportement d’un tel système.

3.2.1 Description

L’unité de micro-cogénération « Sunmachine Pellet » fonctionne à partir de granulés de bois. Une vis sans fin assure l’alimentation en granulés de la chambre de combustion située au sommet de la partie chaudière (No _{8 sur la Figure 3.1). La chambre de combustion, portée à 650 °C, assure la gazéification des}

granulés. Elle est surmontée d’un brûleur alimenté en air, qui assure la combustion des granulés. La chaleur est transmise à la partie haute du moteur Stirling. Le moteur, de type alpha, entraîne une génératrice qui produit le courant électrique qui est d’abord redressé puis converti en courant triphasé par un onduleur fournissant une puissance électrique maximale de 3,5 kW et une puissance électrique nominale de 3 kW. Un échangeur permet le refroidissement du moteur du côté de la source froide et la production d’eau chaude. Un échangeur de chaleur sur les fumées permet d’améliorer la récupération de chaleur et de réduire la température des fumées rejetées.

Les différents composants de l’unité de micro-cogénération sont présentés dans la Figure 3.1. [1] Réservoir de granulés

Figure 3.1 Schéma de l’unité de micro- cogénération

[2] Ventilateur d’extraction des fumées [3] Vase d’expansion

[4] Vanne de remplissage granulé [5] Platine de raccordement [6] Déversement des granulés [7] Allumage

[8] Tête du brûleur

[9] Chambre de combustion

[10] Tuyau d’alimentation en granulés [11] Générateur électrique (Moteur Stirling) [12] Echangeur à plaques

[13] Points d’accroche [14] Silentblocs

[15] Circulateur du circuit secondaire

À partir de la chaleur dégagée par la combustion des granulés de bois, l’unité fournit à la fois de la chaleur et de l’électricité.

La chaleur dissipée par le moteur est utilisée pour la production d’eau chaude. Celle-ci peut être utilisée pour assurer les besoins en eau chaude sanitaire ou en chauffage d’une habitation.

Le courant électrique produit est entièrement injecté sur le réseau public d’électricité. Lors de ses différentes phases de démarrage, de fonctionnement et d’arrêt, l’unité de micro-cogénération consomme une quantité non-négligeable d’électricité, notamment pour assurer la circulation de l’eau, l’approvisionnement en granulé de bois, le préchauffage électrique du brûleur ou l’extraction des fumées. L’évaluation de cette autoconsommation est indispensable, puisque celle-ci influence le bilan électrique global de la machine. La fourniture de l’électricité consommée par les différents auxiliaires est assurée par un raccordement électrique distinct du raccordement permettant l’injection de la production électrique sur le réseau. De ce fait, il est possible de distinguer les mesures de la consommation et de la production électrique de la machine. Un tel découplage présente un intérêt économique puisque, pour des raisons réglementaires, le tarif de vente de l’électricité produite par cogénération est généralement supérieur au tarif d’achat de l’électricité consommée. Ainsi, il vaudra mieux vendre la totalité de l’électricité produite et acheter la totalité de l’électricité consommée, plutôt que ne vendre que l’électricité produite non-consommée.

3.2.2 Structure interne

L’observation de l’unité de micro-cogénération et l’analyse des mesures fournies par l’afficheur intégré à l’appareil ont permis d’en déduire sa structure interne (Tableau 3.1), qui n’était pas clairement décrite par le constructeur.

La source chaude du moteur Stirling se trouve en contact thermique avec la chambre de combustion. Le refroidissement est réalisé par une boucle d’eau – que nous désignerons « circuit primaire ». Une pompe assure un débit quasi-constant dans le circuit primaire, d’une valeur de l’ordre de 630 l.h-1_{, de}

manière à toujours évacuer toute la puissance thermique du moteur et à récupérer un maximum de la chaleur des fumées. L’échangeur principal, séparant le circuit secondaire du circuit primaire, est surdimensionné de manière à ne pas limiter l’échange de chaleur. L’unité de micro-cogénération intègre une pompe à deux vitesses, destinée à la régulation de la température de départ d’eau du circuit secondaire. La position du récupérateur de chaleur sur les fumées n’est pas connue, c’est pourquoi les deux positions possibles ont été indiquées (en gris) sur la Figure 3.2.

Figure 3.2 Schéma de la structure interne de l’unité de micro-cogénération

Ta Température d’eau froide

Tb Température d’eau chaude

Tc Température du brûleur

Da Débitmètre du circuit primaire

33/167

3.2.3 Caractéristiques

Les données caractéristiques de la machine fournies par le constructeur sont présentées dans le Tableau 3.2. Il faut souligner que ces données ne correspondent pas aux caractéristiques réelles du prototype installé sur le banc d’essai. En effet, sur ce prototype, la puissance du brûleur est bridée à environ 10 kW et la puissance électrique maximale est de l’ordre de 2 kW.

Puissance électrique ~ 1,5 – 3 kW Puissance thermique ~ 4,5 – 10,5 kW Rendement électrique ~ 20 – 25 %

Rendement global 90 %

Température de sortie maximale 70 °C Température de retour optimale < 30 °C

Poids ~ 350 kg

Dimensions (largeur/longueur/hauteur) 800/1200/1600 (mm)

Tableau 3.2 Données caractéristiques de l’unité de micro-cogénération annoncées par le fabricant

Puissance du brûleur 7,5 – 14 kW Cylindrée du moteur 520 cm3 Vitesse de rotation du moteur 500 – 1000 tr/min Gaz de travail Diazote (N2)

Pression moyenne du gaz 33 bar Rendement thermo-mécanique du moteur 33 – 36 % Rendement maximal de l’onduleur 95,7 %

Tableau 3.3 Données caractéristiques des différents éléments annoncées par le fabricant