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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]
AUCE 2363 - Cogénération et trigénération 2
• 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
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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 = −
AUCE 2363 - Cogénération et trigénération 6
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
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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 %
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• Primary Energy Saving : PES
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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• Primary Energy Saving : PES
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
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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 ?
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Cycle tritherme à éjecteur
Thermo-compression
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Calcul CFD (Air)
AUCE 2363 - Cogénération et trigénération 28
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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AUCE 2363 - Cogénération et trigénération 30
prédictions globales/locales
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prédictions globales/locales
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Banc d’essai en 3D
Evaporator
Generator
Condenser
Ejector
Superheater
Liquid pump
Coriolis
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AUCE 2363 - Cogénération et trigénération 33
La réalité.....
AUCE 2363 - Cogénération et trigénération 34
L’éjecteur
3 mm
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AUCE 2363 - Cogénération et trigénération 35
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
AUCE 2363 - Cogénération et trigénération 36
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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Les écoulement de fluide dans l'industrie 19
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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