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TERM 4/28/2009

Les écoulement de fluide dans l'industrie 1

AUCE 2363 - Cogénération et trigénération 1

COGENERATION ET TRIGENERATION

Jean-Marie SEYNHAEVEUCL- Ecole Polytechnique de Louvain

Département de Mé[email protected]


• Niveau énergétique et dégradation de l’énergie

• La cogénération : principe - qualité

• Exemples de cogénération : industrielle et domestique

• La trigénération : principe, qualité

• Exemple de recherche : le froid solaire…

• Conclusions

Contenu de l’exposé

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Transformation et dégradation de l’énergie

Énergie hydraulique

Énergies primaires

Énergie fossile

Énergie nucléaire

Énergie solaire PV

Énergie géothermique

Énergie solaire TH

Énergie ThermiqueNiveau ENERGETIQUE Température

Énergie Mécanique

Énergie éolienne

Perte à la source froide

Énergie Électrique

Énergies noblesÉnergie thermique

Énergie mécanique

Énergie lumineuse

Thermodynamique

RENOUVELABLES RENOUVELABLES


Production d’énergie mécanique – Cycle moteur

Source chaude

Source froide

Mécanique

ÉlectricitéQin > 0

Q2 < 0max( ) 1

mthermique

in

FCarnot

C

WQ

TT

η

η

=

= −

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Rendement du cycle de Carnot

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Température de la source chaude (°C)

Ren

dem

ent

Température de la source froide de 20°C

Centrale Nucléaire

Moteur essence

Moteur Diesel

Centrale TGV

Centrale Classique

1 FCarnot

C

TT

η = −


Changement de niveau énergétique Cycle à compression

Source froide

Mécanique

Source chaude

max

out in

c

out in

out in

Q ou QCOPW

T ou TCOPT T

=

=−

Électricité

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Deux questions importantes :

CCHP

CE

CQ

Cogénération

Chaudière

Centrale électrique

CCHP

CE

CQ

Cogénération

Chaudière

Centrale électrique

• Comment définir une cogénération de qualité ?• Dans quelle condition l’électricité est-elle issue de la cogénération ?

Cogénération : principe et qualité

Source chaude

Source froide


Introduction – Cogénération de qualité ?Quelques notions

• Consommation de combustible primaire : C H PC en kW h

• Rendement électrique de la cogénération :

• Rendement thermique de la cogénération :

EC H P

EC

α

QC H P

QC

α

EE

EC

η• Rendement électrique « voie classique » :

• Rendement thermique « voie classique » : QQ

QC

η

• Coefficient de répartition : Q

E

αϕ

α

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• Primary Energy Saving : PES

E Q C H P

E Q

C C CP E S

C C+ −

+QE

E Q

1P E S 1 ααη η

= −+

Cogénération de haut rendement (de qualité) : il faut P E S 0>

Référence pour la filière « classique » :

• Electricité : turbine gaz-vapeur de rendement électrique 55 %• Chaleur : chaudière de rendement de production 90 %



Economie d'énergie primaire : domaine de haut rendement

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Rendement thermique de cogénération

Ren

dem

ent é

lect

rique

de

cogé

néra

tion

Domaine dehaut rendement

Cas de base

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Economie d'énergie primaire

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Rendement thermique de cogénération

Ren

dem

ent é

lect

rique

de

cogn

érat

ion

Base (PES = 0,0 hE = 0,55 hQ = 0,90)Change hE (PES = 0,0 hE = 0,40 hQ = 0,90)Change hQ (PES = 0,0 hE = 0,55 hQ = 0,80)Change PES (PES = 0,1 hE = 0,55 hQ = 0,90)

Légende

PES : Economie d'énergie primairehE : Rendement de référence pour l'électricitéhQ : Rendement de référence pour la chaleur

Domaine de haut rendement Différentes références


Valeurs indicatives de rendements de cogénération

Rendement RendementTechnologie électrique thermique

αE αQ

Turbine à gaz sans post-combustion 30% 55%Turbine à gaz avec post combustion 20% 68%

Moteur à explosion 35% 50%Moteur diesel 40% 43%

Chaudière à vapeur et turbine à contrepression 15% - 22% 50%-68%

Rendements indicatifs

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Rendements de référence (proposition)

Nouvelles installations

Rendements de référence transitoires (nouvelles installations) (*) Combustible Rendement Rendement thermique de référence électrique Production Production de référence de vapeur d’eau chaude à haute t° ou de vapeur

Gaz naturel 55% 80% 90% Charbon 42% 80% 85% Produits pétroliers 42% 80% 85% Energie renouvelable 22-35% 80% 80% Déchets 22-35% 80% 80% (*) Réductions de 5 à 10% autorisées pour tenir compte de pertes en lignes évitées non considérées ici

Installations existantes

Comparaisons sur base du rendement moyen du parc nationalProblème de disparité entre pays ?


CogCogéénnéération par ration par moteursmoteurs ààcombustion internecombustion interne

Exemple LLN:

3 moteurs à gaz

de 3 MWelPQ

PE

Turbocompresseur

IntercoolerAdmission

Echappement

Echangeur

Alternateur

Départ eau

Retour eau

Moteur

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Moteurs Moteurs àà combustion internecombustion interne

• Chaleur disponible à deux niveaux de température

• gaz d’échappement (450…650 °C) − eau chaude 120-150 °C

• pertes pariétales+ pertes mécaniques (eau à 70 … 90 °C)

• Répartition moyennes des flux selon type de moteur

Paramètres énergétiques en cogénération

αE = 0.4αQ = 0.46φ = 1.1EEP = 0.18

GAZ

αE = 0.46αQ = 0.40φ = 0.9EEP = 0.24

DIESEL


Et la microEt la micro--cogcogéénnéérationration

Régime : 1700 à 3600 rpm Rendement cogen : 90 %Puissance électrique : 2 à 4,7 kW Rendement électrique : 25 %Puissance thermique : 6 à 12,5 kW Rendement thermique : 65 %

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Installation : Cuve de stockage

Intérêt Couvrir les pointesRéduire le nombre d’arrêt / démarrageDécoupler la demande et la production

Ratio HP Wagner&CO1000 l


Economie en production de CO2 – Effet de serre ?

ηchaud = 90 % et ηtgv = 55 %

Index d’économie en CO2 :

En tenant compte du méthane :

PRG=21

tgvchaud

cogeneqiv

COCOCO

)()()(1

22

,2

+−

Emissions ?

14,2 %

- 8 % !!!

tgvchaud

cogen

COCOCO

)()()(1

22

2

+−

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Cogénérateur Rpm Pélec [kW] Pth [kW] αélec αth Eco.Comb.Ecopower C. 1700-3600 2 à 4,7 6 à 12,5 25% 65% 15%Senertec C. 1500 5,5 12,6 28% 62% 16,5 %Solo C. 1500 2 à 9,5 8 à 26 24% 66% 14.50%Ecopower exp. 1700-3600 2 à 4.6 5,7 à 12.8 22.4 à 24 % 62,6 à 64,9 % 14,2%Senertec exp. 1500 5,16 11,23 26% 56,6 % 9,2 %

C. : Constructeur

Ecopower exp. : Expériences UCL

Senertec exp. : Expériences KUL

Comparaison avec d’autres sytèmes de cogénération

ENERGIE


Cogénérateur NOx [mg/m3] CO [mg/m3] CH4 [mg/m3] ϕ C.V. / an

Ecopower C. 70 400 - 2,6 0,15QSenertec C. - - - 2,21 0,176QSolo C. 80 50 0 2,75 0,141QEcopower exp. 148 577 1205 2,76 0,141QSenertec exp. 200 5.5 2200 2,18 0,099Q

EQ=ϕ

C.V./an: nombre de certificats verts obtenus en 1 anpour une même production Q de chaleur

Comparaison avec d’autres sytèmes de cogénération

EMISSIONS

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Et la Et la trigtrigéénnéérationration ==CogCogéénnéérationration : : ElectricitElectricitéé, , chaleurchaleur

+ production de + production de froidfroid

EnergiePrimaire

Machine deCogénération

Electricité

Pertes

Chaleur

Souce à température

ambiante

Production de froid

Souce à température

ambiante

Production de froid

Q

E

0.600.30

α

α

=

=

CycleTritherme

Cycle àCompression


Changement de niveau énergétique Cycle à compression

Source froide

Mécanique

Source chaude

max

out in

c

out in

out in

Q ou QCOPW

T ou TCOPT T

=

=−

Électricité

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Cycles “tritherme”Absorption - Adsorption

Absorption (80°C-120°C)eau-ammoniaceau-Bromure de lithium

Adsorption (65°C-80°C)eau-silica gel (zéolites)eau-charbon actif

Technologies basées sur la thermochimie


Technologies actuelles

• système plus ou moins lourd et complexes (cyclique ads.)• maintenance• Pièces mécaniques en mouvement, fuite (systèmes ouverts)• fluides (ammoniac, choix très limité)• coût• taille et poids (adsorption)

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Exemple de rechercheProjet PROFESSI

PROduction de Froid par Energie Solaire dans un Système IntégréDurée : 3 ans (Février 2007 à Février 2010)

ObjectifÉtudier et optimiser un cycle de climatisation solaire à éjecteur supersonique pour une application résidentielle

Partenaires- UCL/TERM : étude et optimisation du cycle thermodynamique- Ulg/CSL : étude et optimisation de la boucle solaire- Partenaire industriel ESE (Rochefort): intégration technologique


Cycle tritherme à éjecteur

Thermo-compression

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Calcul CFD (Air)


Calcul CFD (Air)• Finite volume FLUENT package• Axisymmetric compressible solver• Air as a ideal gas• Roe flux difference splitting (2nd order)• RANS turbulence modeling

According experiments:✤Total (pressures + Temp.) at inlets✤Static pressure at back

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prédictions globales/locales

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prédictions globales/locales


Banc d’essai en 3D

Evaporator

Generator

Condenser

Ejector

Superheater

Liquid pump

Coriolis

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La réalité.....


L’éjecteur

3 mm

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Performances: comparaison avec un cycle classique à compression

COPcompression =pF

pc

=Qe

Wc

COPeject =pF

pgen + pp

≈Qe

Qg

Effet thermique

Effet mécanique

Effet thermique

Effet thermique

Comparaison aberrante d’un point de vue thermodynamique...

Définition énergétique du COP


Comparons des choux avec des choux Définition exergétique du COP

COPcompressionex =

Qe

Wc

Effet thermique

Effet mécanique

COPejecex =

Qe

Eg

Effet thermique

Effet mécanique

subcoolerWith 28.4 8.65 0.43 8.65 2.25 19.98 3.38Without 28.4 7.64 0.41 7.64 2.11 18.83 3.63

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Pour conclureTechnologie

• Exotique• Pas encore mature au niveau industriel

MAIS très intéressante

• Passive (pompe)• Simple• Pas de maintenance (pompe)• Peut être envisagée avec beaucoup de réfrigérants• Très compact• Faible coût• Intégrable dans des systèmes combinés

Challenges:

• Régulation du fonctionnement• Solution plus simple et robuste au niveau de la pompe• Design et fabrication optimisé de l’éjecteur• Evacuation de la chaleur au condenseur• Applications niches

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