Projet Analyse de la demande des bâtiments sur un réseau de chaleur BBC (2014-2015)
(Projet financé par l’ADEME ile de France)
Thèse CIFRE d’Hubert BLERVAQUE avec EDF 2011-2014, portant sur la définition de règles de
modélisation pour les systèmes de production et de distribution dans les bâtiments BBC
Thèse CIFRE de Lisa RIVALIN avec COFELY-AXIMA 2012-2015, portant sur la garantie des
performances énergétiques dans les immeubles neufs.
Thèse d’Olivier GRESLOU 2012-2015, portant sur l’analyse des flexibilités de la demande et
l’optimisation de réseaux de chaleur multi-énergies intégrant des bâtiments basse consommation. (cofinancement ADEME Ile de France)
I. Analyse expérimentale de la performance des
systèmes – exemple d’une micro-cogénération
1.1. Introduction
La micro-cogénération est une solution efficace de production à la fois de chaleur et d’électricité. Elle permet également d’éviter les pertes électriques sur le réseau de transport (Bianchi et al., 2012). Cette technologie est aussi une solution pour la gestion de la demande d’électricité, notamment en France où la demande d’électricité est de plus en plus « thermosensible »1. En effet, la substitution de systèmes de chauffage classiques (radiateurs électriques, chaudières…) par des micro-cogénérations permet de soulager le réseau électrique et de limiter l’usage des moyens de production de pointe pendant les pics de demande électrique.
Des systèmes de micro-cogénération fonctionnant au gaz existent depuis plusieurs années sur le marché européen et sont répandus principalement en Allemagne, Autriche et Royaume-Uni. Ces systèmes utilisent le plus souvent des moteurs à combustion interne. Toutefois, les moteurs Stirling et moteur vapeur commencent à émerger (Andlauer, 2011). Ces technologies avec un faible rendement électrique apparaissent comme des solutions transitoires en attendant l’émergence des piles à combustible, ayant un ratio électricité/chaleur plus en adéquation avec les bâtiments basse consommation et à énergie positive.
Le développement des micro-cogénérations est confronté à des obstacles techniques (fiabilité des modules, manque d’outils pour les dimensionner et évaluer leurs performances...), sociaux (manque de confiance dans la technologie, des retours d’expérience très mitigés, manque de personnels formés) et économiques (coûts d’investissement élevés, politique de subventions très limitée en France). Dans le cadre de leur intégration aux bâtiments, les systèmes de cogénération doivent répondre à des besoins de chauffage, d'eau chaude sanitaire et d’électricité très variables au cours du temps et d'un bâtiment à l'autre. Il apparaît alors essentiel de disposer d’outils de simulation pour :
caractériser leur fonctionnement dans les bâtiments, neufs ou anciens, en particulier pour évaluer la production électrique et les consommations d’énergie prévisionnelles, ainsi que les temps de retour sur investissement ;
optimiser leur intégration dans les bâtiments, notamment la régulation et le dimensionnement d’un stockage.
Dans le cadre de la thèse de Benoit Andlauer soutenue en 2011, nous avons développé un modèle de micro-cogénérateur à partir d’une campagne de caractérisation des performances d’un micro-cogénérateur Stirling, appelé aussi « chaudière électrogène ». Ces essais se sont avérés indispensables du fait du manque de retour d’expériences sur les performances de systèmes. Les essais ont été réalisés sur la plate-forme pédagogique de l’INSA de Strasbourg, qui a participé au co-encadrement de la thèse.
Les essais réalisés ont pour objectifs de caractériser le système lors des différentes phases et conditions de fonctionnement. Les résultats d’essais ont permis de développer un modèle représentatif des performances de cette technologie.
1.2. Banc d’essais
L'unité testée est une micro-cogénération au gaz commercialisée par De Dietrich / Remeha et appelée Hybris Power. Elle comprend un moteur Stirling et une chaudière à condensation auxiliaire à gaz, lesquels ont été étudiés séparément. Le banc d'essai réalisé par l’INSA de Strasbourg permet de tester l’appareil avec ou sans ballon de stockage. Il a été conçu dans le but de caractériser le fonctionnement et les performances du moteur de micro-cogénération. Le banc d’essais permet aussi de simuler des charges dynamiques d’un bâtiment (chauffage et puisage ECS) et ainsi d’analyser le comportement dynamique de l’appareil. Les résultats ont permis d’identifier les paramètres du modèle développé.
Les Figures 3.1 et 3.2 présentent le banc et les moyens métrologiques.
Figure 3.1: Banc d’essais (à gauche) et micro-cogénérateur (à droite)*.
* 1: sortie des produits de combustion, 2: échangeur -condenseur, 3a&b: brûleurs, 4a: tête du moteur Stirling, 4b: moteur Stirling, 5: ventilateur, 6a&b: blocs gaz, 8: circulateur, 9: échangeur
à plaques pour l’ECS)
Les moyens métrologiques (Tableau 2.1) ont été sélectionnés afin d’obtenir des résultats de consommation de gaz et de production électrique et thermique avec des incertitudes acceptables.
Table 3.1 : Moyens métrologiques
Type Notation Méthode de mesure Incertitude
Gaz
Consommation de gaz Débitmètre à diaphragme (Gallus)
Pression du gaz Pressiomètre
analogique PCS Fournisseur de gaz
Température Pt100 4 fils
Puissance Calculé 2,5%
Chaleur
Température eau en entrée Pt500 Température eau en sortie Pt500
Débit massique d’eau superstatic 440 Débitmètre
Puissance thermique Calculé 4,5%
Électricité Puissance électrique (Socomec DIRIS A Energie metre 20)
Fumées Analyse des gaz: OTempérature 2, NOx, Pt100 4 fils
CO, CO2, THC or CH4
Analyseur de combustion
1.3. Régulation du micro-cogénérateur
Afin de modéliser les performances du micro-cogénérateur, il est nécessaire de connaître la régulation adoptée pour le pilotage de l’appareil. Cependant les informations fournies par les fabricants sur la régulation de leurs systèmes sont généralement très limitées. Les principes de fonctionnement de l’appareil ont été identifiés grâce aux essais menés sur le micro-cogénérateur et à l’appui de De Dietrich.
L’Hybris power est régulé sur la température de départ, ou précisément sur l’écart de température retour/départ. La loi interne détermine une température de consigne en fonction de la température extérieure et de la température de retour d’eau.
La Figure 3.3. présente le cycle classique de fonctionnement de la micro-cogénération. Quand le micro-cogénérateur est à l’arrêt, le circulateur est mis périodiquement sous tension pour faire circuler l’eau du circuit de refroidissement, et permettre la mesure d’une température de retour. Si la température de retour mesurée est inférieure à la température de consigne, le brûleur Stirling est mis en fonctionnement. Lorsque la température de tête dépasse 200°C, le générateur est synchronisé au réseau, et l’électricité produite commence à être exportée. Après un temps calibré permettant la montée en puissance du moteur Stirling puis sa stabilisation, si la température de départ est toujours inférieure à la température de consigne, le brûleur de la chaudière auxiliaire est allumé, puis sa puissance est modulée pour s’adapter à la demande.
Lorsque la demande diminue, la puissance de la chaudière est réduite pour maintenir la température de départ à la consigne. La demande continuant à diminuer, la chaudière est éteinte et seul le brûleur du moteur Stirling fonctionne. Si la demande devient nulle, le brûleur
du refroidissement après arrêt de la combustion, la température de tête diminue. Lorsqu’elle atteint 170°C, le générateur est désynchronisé du réseau, puis lorsqu’elle passe en-dessous de 130°C, le ventilateur puis le circulateur sont mis à l’arrêt.
Figure 3.3 : Logigramme de fonctionnement de l'Hybris power (Andlauer, 2011)
L’Hybris power est équipé d’un circulateur trois vitesses. Il démarre en petite vitesse. Lorsque l’écart de température entre aller et retour devient supérieur à 10 K, le circulateur passe en vitesse supérieure (Figure 3.4). De plus, si le débit mesuré passe en dessous de 7 L.min-1, la pompe passe en vitesse supérieure, et s’il devient inférieur à 3 L.min-1, la micro-cogénération est mise en sécurité.
Figure 3.4 : Régulation en débit d’eau de refroidissement de l'Hybris power (Andlauer, 2011)
Une dernière loi de régulation est ajoutée, spécifique à la production d’électricité du moteur Stirling. La puissance apparente de sortie mesurée (produit de l’intensité fournie et de la tension du réseau) est régulée pour être égale à 1 kVA en permanence. A cette fin, le débit d’air comburant est régulé entraînant une variation du débit de combustible aspiré dans le venturi de pré-mélange et donc de la puissance du brûleur. En conséquence, la température de tête du brûleur est ajustée pour maintenir une puissance électrique constante. En fonctionnement, cette température est maintenue par une loi de sécurité entre 400°C et 525°C. Δ