Modélisations et comparaison thermo-énergétique de systèmes de cogénération

par Damien Descieux

Thèse de doctorat en Mécanique et Énergétique

Sous la direction de Michel Feidt.

Soutenue le 14-11-2007

à Nancy 1 , dans le cadre de EMMA , en partenariat avec Laboratoire d'Énergétique et de Mécanique Théorique et Appliquée (laboratoire) .

Le jury était composé de Michel Feidt, Georges Descombes, Pierre Rochelle, Riad Benelmir, Monica Costea, Olivier Lottin, Mohand Tazerout.

Les rapporteurs étaient Georges Descombes, Pierre Rochelle.


  • Résumé

    Les objectifs de cette thèse concerne la gestion de l'énergie dans les systèmes de production combiné d'électricité et de chaleur (cogénération) alimentés en gaz naturel. Dans un premier temps, après un état de l'art des coefficients d'échange et des corrélations de frottements caractéristique des Moteurs à combustion interne (MCI) est dréssé puis un modèle une zone avec une contre-boucle idéale est réalisé. Une étude de sensibilité dégage un paramètre de réglage intéressant pour la cogénération dont l'influence est révélé dans un modèle plus fin avec une contre-boucle améliorée (prédictif), validé expérimentalement, qui fournit la production électrique et thermique du moteur. Une courbe générique [Rendement ; Puissance] est mise en évidence, par chacun de ces modèles, elle met en exergue, à travers la vitesse de rotation du moteur, deux régimes optimaux un de rendement et un de puissance ainsi qu'une plage de fonctionnement optimale. Dans un second temps on réalise une comparaison des principaux systèmes de cogénération : MCI, Turbines à combustion (TAC) et Piles à combustibles (PACo) nécessitant une approche plus robuste (analytique). L'ensemble de ces systèmes est modélisé, avec un souci de cohérence, suivant deux contraintes principales ; la dépense énergétique et la température maximum du cycle thermodynamique correspondant. Ces modèles sont capables de prévoir la production de Force (électrique) et de Chaleur et permettent une analyse énergétique, exergétique et étude de sensibilité aux principaux paramètres de conception et de réglages. On notera que les MCI suivent un cycle mixte général avec une distribution quelconque des combustions, que la modélisation des TAC présente trois configurations d'échangeurs dont deux inédites et que la chauffe des réactifs est prise en compte lors de la modélisation des PACo. Cette étude offre de nombreuses perspectives de développement tant en TDF (Thermodynamique en Dimension Fines), qu'en thermoéconomie.

  • Titre traduit

    Modelings and comparison of combined heat and power systems


  • Résumé

    The objectives of this thesis relates to the energy management in the systems of production Combined of Heat and Power (CHP , cogeneration) fed by natural gas. Initially, after a state of the art of the coefficients of exchange and correlations of frictions, a model a zone with against-buckles ideal is carried out. A study of sensitivity releases a parameter of adjustment interesting for the cogeneration whose influence is revealed in a finer model with against-buckles improved (predictive), validated in experiments, which provided the electric and thermal production of the engine. A generic curve [ Efficiency; Power ] is highlighted, by each one of these models, it puts forward, through the number of revolutions of the engine, two optimal modes one of efficiency and one of power as well as an optimal operating range. In the second time one carries out a comparison of the principal systems of cogeneration: Internal combustion engines (ICE), Gas Turbines engine (GTE) and Fuel cells (FC) requiring a more analytical approach. The whole of these systems is modelled, with a preoccupation of a coherence, according to two principal constraints; the energy expenditure and the maximum temperature of the thermodynamic cycle corresponding. These models are able to envisage the production of Power (electric) and Heat and allow an energy, exergetic analysis and study of sensitivity to the principal parameters of design and adjustments. It will be noted that the ICE follow a general dual cycle with an unspecified distribution of combustions which the modelling of GTE presents three configurations of exchangers including two new and which the heating of the reagents is taken into account at the time of the modelling of FC.

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