La micro-cogénération
La cogénération (notée CHP, Combined Heat and Power) est la production simultanée de chaleur et d'énergie mécanique, généralement transformée en électricité, à partir d'une même source d'énergie. La cogénération permet d'atteindre des rendements globaux (électricité + chaleur) de 90%. Soit un gain d'énergie primaire jusqu'à 35 % en comparaison de la filière énergétique classique "réseau électrique + chauffage au gaz". Le rendement d'une centrale thermique nucléaire (ou non) est de l'ordre de 40% seulement! De plus, les pertes de réseau dans l'acheminement de l'électricité sont de l'ordre de 25 à 60%.
L'Europe fixe la limite supérieure de la "micro-cogénération" (notée MCHP) à 50 kWe (directive 2004/8/CE). En France, étant données les plages d'abonnement EDF, le seuil est plutôt de 36 kWe. Enfin, le projet de norme Pr NF EN 50438 sur les "Prescriptions pour le raccordement de microgénérateurs en parallèle avec les réseaux publics de distribution basse-tension" concerne les équipements de puissance inférieure à 10 kWe.
Dans le cas des grands cogénérateurs, il s'agit avant tout de produire de l'électricité. Ils sont dimensionnés pour fonctionner à pleine charge durant une certaine période de l'année. La chaleur doit être alors utilisée par les bâtiments alentours. A l'inverse, les micro-cogénérateurs de plus faible puissance (1 à 10 kWe) sont utilisés pour couvrir (en partie ou en totalité) les besoins thermiques d'un unique bâtiment : ce sont donc des chaudières qui produisent de l'électricité, "des chaudières électrogènes". La quantité d'électricité produite n'est alors qu'une conséquence du fonctionnement de l'équipement pour couvrir les besoins thermiques. Celles-ci peuvent équiper et couvrir un besoin unifamilial, une co-propriété ou une petite entreprise. La consommation de l'énergie produite en chaleur comme électrique peut être considérée sans perte car immédiatement disponible et utilisée!
L'énergie utilisée est aujourd'hui le plus souvent du gaz naturel, mais certaines chaudières cogénératrices fonctionnent au bois (granulés, copeaux, bois bûche...). Vous pouvez télécharger une synthèse sur la cogénération à partir de la biomasse (bois) propoposée par le SER (Syndicat des Energies Renouvelables).
Micro Cycle à Vapeur
Les turbines à vapeur sont le système le plus souple et le plus ancien pour produire de l’électricité. Les turbines à vapeur sont compatibles avec toutes sources de production de vapeur haute pression, soit tous types de combustibles : solide, liquide, gazeux… Cependant des petites turbines autonomes peuvent demander plus d’investissement et être moins efficaces que d’autres systèmes à combustion.
Avantages
- Convient à tous types de combustible
- Très bon rendement global
- Coût d'entretien modique
- Durée de vie élevée
Inconvénients
- Investissement élevé
- Fonctionnement quasi-continu
Micro cycle vapeur organique
Un Cycle Organique de Rankine (ORC) est l'utilisation d'un fluide organique au lieu de la vapeur d'eau dans un cycle Rankine classique. Il permet d'obtenir une vapeur surchauffée à plus basse température. La cogénération par cycle organique de Rankine présente plusieurs avantages sur la cogénération à vapeur.
Avantages
- Cycle très performant
- Efficacité élevée de la turbine (plus de 85%)
- Durée de vie élevée
- Silencieux
- Maintenance réduite
- Bonnes performances à charge réduite
- Convient à tous types de combustible
Inconvénients
- Investissement élevé
Moteurs de Stirling
Le pasteur Robert Stirling a réalisé son premier moteur en 1816. Ce moteur, dit à « air chaud », permettait, à l’époque de la machine à vapeur de grosse puissance, de délivrer des petites puissances. Ils tombèrent dans l’oubli avec le développement du moteur à combustion interne : le moteur actuel des voitures.
Le regain d’intérêt pour les moteurs Stirling doit son origine aux travaux de R. Meyer de la société PHILLIPS qui commencent dans les années 30 jusque 1980. En effet, les moteurs à air chaud peuvent valoriser n’importe quelle source d’énergie thermique, peuvent avoir un excellent rendement, sont silencieux, demandent peu de maintenance et ont une grande durée de vie. Or à notre époque où l’on cherche des alternatives au pétrole, ils réapparaissent pour valoriser les énergies renouvelables.
Avantages :
- Convient à tous types de combustible
- Silencieux
- Maintenance réduite
- Peu polluant : Il est plus facile de réaliser dans ce type de moteur une combustion complète des carburants.
- Durée de vie élevée du fait de sa "rusticité".
Inconvénients
- Difficulté de modifier le régime de fonctionnement du moteur
- Le prix : le frein à son développement est aujourd'hui probablement son coût, non encore compétitif par rapport aux autres moyens bien implantés. Une généralisation de son emploi devrait pallier ce problème inhérent à toute nouveauté.
- Les problèmes technologiques à résoudre :
- les problèmes d'étanchéité sont difficiles à résoudre dès qu'on souhaite avoir des pressions de fonctionnement élevées. Or le rendement est proportionnel à la pression du gaz.
- les échanges de chaleur oscillants avec un gaz sont délicats.
- En théorie adapté à tous types de combustibles, mais en pratique difficultés à le faire fonctionner avec des sources de chaleur salissantes (suies...) telle que la combustion du bois, à cause des contraintes techniques sur l’échangeur de chaleur.
Focus sur le fonctionnement du moteur Stirling
Le principe de fonctionnement de la plupart des moteurs, et le moteur Stirling n’y déroge pas, est le suivant :
La détente d’un gaz chaud libère plus d’énergie que n’en consomme la compression d’un gaz froid.
Le cycle du moteur Stirling peut être décomposé en 4 temps : compression, chauffage, détente, refroidissement, qui sont expliqués ci-dessous. L’exemple est pris sur un moteur type gamma possédant un piston et un déplaceur. Le mouvement du piston entraîne un changement du volume du gaz tandis que le mouvement du déplaceur ne change pas le volume mais fait juste passer le gaz de la source chaude à la source froide et inversement. Entre les deux, se trouve le régénérateur, dont le rôle est de stocker temporairement l'énergie utile au réchauffage futur du gaz lorsque celui-ci va vers la source froide.
1. Compression du gaz froid : une compression isotherme, la pression du gaz augmente au fur et à mesure que son volume diminue. On doit fournir de l'énergie mécanique au gaz pendant cette période.
2. Transfert vers le côté chaud : un chauffage isochore (à volume constant) : le brûleur (la source chaude) cède de l'énergie thermique. On s'imagine aisément que la pression et la température du gaz augmentent durant cette phase.
3. Détente du gaz chaud : une détente isotherme (à température constante), le volume s'accroît alors que la pression diminue. C'est pendant cette transformation que l'énergie motrice est produite.
4. Transfert vers le côté froid : un refroidissement isochore: l'eau projetée (la source froide) récupère de l'énergie thermique. La température et la pression diminuent pendant cette phase.
Pascal Stouffs du laboratoire LaTEP de Pau a instrumenté un moteur Stirling V60 et a pu faire un relevé instantané des pressions afin de connaître le cycle thermodynamique réel. Il ressort de cette instrumentation que, pour des raisons de cinématique, les 2 isochores théoriques ne peuvent être satisfaites et que les isothermes ne sont pas des transformations réalisables en pratique de par les irréversibilités des transformations. D’autres part, le LaTEP met également en évidence que les modèles théoriques sur le moteur Stirling ne sont pas satisfaisants : les mesures ne concordant pas avec les prévisions théoriques. Ce point dur théorique est notamment dû au régénérateur et aux échanges thermiques oscillants dont il est le siège.
Instrumentation du V60 au LaTEP
Cycle Stirling théorique : 2 Isochores et 2 Isothermes
Cycle Stirling réel mesuré par le LaTEP
Différents types de moteurs Stirling
Il existe une multitude de cinématiques différentes pour le moteur Stirling. On distingue 3 grands types de moteur : alpha, bêta et gamma.
Alpha
Bêta
Le moteur alpha dissocie de façon nette la source chaude de la source froide. En effet, un cylindre réchauffe le gaz, un autre le refroidit. La cinématique est telle qu'on fait passer le gaz d'un cylindre à l'autre.
Le cycle s’explique de la manière suivante. Les deux pistons remontent en même temps. Le volume global diminue : c'est la phase de compression. Puis, le gaz arrive dans le cylindre chaud en provenance du cylindre froid car le piston chaud descend avant l’autre : il se réchauffe. Les deux pistons descendent. Le volume total augmente : c'est la phase de détente. Enfin, le gaz est refoulé du cylindre chaud vers le cylindre froid car le piston remonte avant l’autre. Durant cette phase, il se refroidit.
Le moteur bêta possède quant à lui un seul cylindre ayant un côté chaud et l’autre froid. Les 4 phases s’expliquent ainsi :
- Le gaz est comprimé en restant au droit de la source froide. Le piston moteur monte et le déplaceur est quasi-immobile en partie supérieure
- Le gaz est transféré de la partie froide vers la partie chaude. Le piston moteur est quasi-immobile et le déplaceur descend.
- Le gaz est détendu en restant au droit de la source chaude. Le piston moteur descend et le déplaceur l’accompagne quasiment.
- Le gaz est transféré de la partie chaude vers la partie froide. Le piston moteur est quasi-immobile et le déplaceur monte.
Les moteurs gamma fonctionnent toujours sur le même principe. Cette fois-ci il y a deux cylindres mais ils sont différenciés.
Le cycle est le suivant : le déplaceur reste en partie supérieure : globalement le gaz est froid. Par contre, le piston moteur effectue la majorité de sa course : il comprime la gaz en cédant de l'énergie mécanique. Durant la seconde phase, le piston moteur bouge peu, le volume global est minimal. Par contre, le déplaceur effectue une longue course et le gaz se réchauffe. Puis, le déplaceur bouge peu. Par contre, le piston moteur effectue plus de 70% de sa course. Il récupère l'énergie motrice. Enfin, le déplaceur effectue une grande partie de sa course : le gaz est refroidi. Le piston moteur bouge peu.
Il existe d'autres types ou variantes de moteurs Stirling :
- Le moteur à piston libre, dit Martini : le piston moteur n’est pas relié mécaniquement. Il se déplace en fonction de la pression du moteur. Quand la pression monte, il est poussé dans un sens. Quand la pression baisse, il revient dans l'autre sens à sa position initiale. Ceci nécessite la présence d'une force moyenne sur la face "extérieure" du piston, elle est générée par un gaz enfermé dans une enceinte ou par le tarage d'un ressort. Si le piston moteur est un aimant, on peut installer en périphérie un alternateur linéaire et générer du courant électrique, ce qui permet de s’affranchir de nombreuses pertes mécaniques.
- Le moteur à déplaceur libre ou Ringbom : à l'inverse du précédent, le piston moteur est entraîné mécaniquement. Par contre, le déplaceur se positionne en fonction de la différence de pression sur ses 2 faces.
- Le moteur à piston et déplaceur libres (free piston Stirling engine) : ce moteur cumule les avantages des deux précédents. Le principal avantage est qu'on peut obtenir une étanchéité absolue car il n'existe aucune liaison mécanique avec l'extérieur. L'énergie produite est évacuée par un alternateur linéaire totalement étanche.
Cas industriels
L’entreprise Microgen, filiale de British Gaz, travaille sur un micro-cogénérateur gaz fonctionnant à partir d’un moteur à piston libre.
Micro-cogénérateur Microgen
Fonctionnement du moteur à piston libre de Micogen
En Autriche, l’entreprise StirlingPowerModule propose un moteur Stirling à double effet. Le principe consiste à mettre des moteurs de type alpha en "série". Il y a un seul piston par cylindre qui joue le rôle de déplaceur et de piston moteur. Le déphasage entre chacun des pistons est de 90°.
Pour plus d’informations vous pouvez consulter le lien suivant : http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/stirling/engines/general_e.html