Conception, optimisation et contrôle par la manipulation de la pression de condensation de systèmes de récupération de chaleur résiduelle à base d’ORC dans les poids lourds long-courriers

Design, optimization and control by condensation pressure manipulation of an ORC based waste heat recovery system in heavy-duty trucks

• Auteur / Autrice : Francesco Galuppo
• Direction : Pascal Dufour, Madiha Nadri, Vincent Lemort
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 07/01/2021
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Université de Liège (1817-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Automatique, de Génie des Procédés et de génie Pharmaceutique (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Dewallef
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Dufour, Vincent Lemort, Lars Eriksson, Sotirios Karellas, Céline Morin, Mélaz Tayakout, Alina Voda
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lars Eriksson, Sotirios Karellas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycle de Rankine

Gaz à effet de serre -- Réduction

Transports routiers

Dispositifs antipollution

Camions

Mots clés libres

Cycle de Rankine Organique

Automotive

Modeling

Manipulation de la pression de condensation

Optimisation en temps réel

Model based control

Organic Rankine cycle

Automotive

Modeling

Condensation pressure manipulation

Real time optimisation

Model based control

Résumé

De nos jours, les problématiques environnementales ont un impact primordial sur notre société. L'intérêt croissant pour le réchauffement climatique et la pollution conduisent à approfondir les recherches sur les économies d'énergie, les énergies renouvelables, l'amélioration de l'efficacité des procédés. L'Union Européenne a établi une nouvelle législation sur les émissions des poids lourds long-courriers, fixant la réduction attendue pour 2025 à 15% par rapport à la référence de 2019. Ce nouvel objectif ambitieux a poussé les constructeurs à accélérer la mise en œuvre de nouvelles solutions qui peuvent réduire les émissions de CO2 directement, en utilisant un carburant qui réduit les émissions, en réduisant la consommation de carburant. Quant au domaine des camions, le processus est plus lent, mais les villes utilisent déjà des camions à ordures électriques et des camions légers pour les livraisons urbaines. D'autres propositions, qui pourraient contribuer à la réduction de la consommation de carburant et, en d'autres termes, à l'augmentation de l'efficacité thermique (Break Thermal Efficiency, BTE), sont liées à la combustion (surface isolée des pistons, température du liquide de refroidissement plus élevée) et au système de carburant (injecteurs à haut débit ). De la même manière, et c'est ce qui nous intéresse dans cette thèse, la récupération de l'énergie résiduelle est généralement considérée parmi les technologies susceptibles de contribuer au respect des nouvelles limites d'émission de CO2. Les fabricants estiment que la récupération de la chaleur résiduelle des gaz d'échappement et du fluide de refroidissement peut permettre d'atteindre une économie de carburant de 4 à 5\%. La technologie consiste en un système de cycle organique de Rankine, qui récupère la chaleur perdue d'une source de chaleur spécifique (dans la plupart des cas, le flux de gaz d'échappement) et la transfère à un fluide de travail mis sous pression par une pompe; puis le fluide transfère une partie de la chaleur résiduelle à un fluide à basse température dans le condenseur. Le fluide de travail s'évapore dans l'échangeur de chaleur et est donc détendu dans une machine de détente (un détendeur à déplacement positif ou une turbine), qui convertit la différence d'enthalpie en puissance mécanique ou électrique (dans le dernier cas une machine électrique est intégrée dans la machine de détente). L'exploration de cette technologie était, au départ, basée sur la fourniture et les essais des composants; ensuite, les principaux sujets de recherche et développement ont évolué vers le contrôle, l'optimisation du système et l'intégration du système dans le véhicule. De plus, la taille et le poids du système sont également considérés comme extrêmement importants dans la conception, car ils peuvent avoir un impact négatif sur la consommation de carburant du véhicule, malgré la récupération de l'énergie perdue. Il est donc nécessaire d'estimer les performances de ce système dans un environnement réel de véhicule, en tenant en compte des interactions du système avec les autres sous-systèmes. Pour cette raison, la modélisation du système Rankine, ainsi que la modélisation des conditions environnementales et des principaux sous-systèmes du véhicule est extrêmement importante. Dans la plupart des cas, la définition de l'architecture Rankine (architecture et taille des composants) est nécessaire afin de prendre en compte les avantages et / ou les inconvénients que l'on ne rencontre pas avec d'autres architectures.

The new European regulation about the CO2 emissions of long-haul heavy duty trucks pushed the manufacturers to study and implement solutions that can limit the CO2 emissions by reducing the fuel consumption of the vehicle. Considering the limited efficiency of the internal combustion engines and the thermal losses that are encountered, the waste heat recovery technologies have gained much interest in the heavy-duty trucks industry; in particular thermodynamic bottoming cycles, as the Organic Rankine cycle, are considered suitable to reduce the fuel consumption and, consequently, the CO2 emissions. However, several obstacles are encountered in the implementation of a safe system that can ensure high standards of performance as long as possible, reducing the total cost of ownership of the vehicle. In the last decade, a large scientific community studied intensely this topic related to the working fluid selection, component modeling and testing, control and optimization. Another important aspect of this application derives from the fact that the heat is recovered from an heat source characterized by a transient behavior. This is taken into account in the system architecture definition, as well as in the implementation of suitable control strategies, intended to the maximization of the performance.\\ In this thesis the exhaust gas and the engine coolant flow are investigated as heat sources; in both cases modeling and control strategies are implemented, in the latter an experimental campaign is performed. Although the heat source is often considered as the main secondary fluid in the Rankine system, the heat sink is often characterized by a transient behavior as well, that can limit the performance of the system and pushes to further control development in the cold side of the system. In this thesis, the control problems related to the working fluid conditions at the inlet of the expander (the controlled variable is called superheat) and the pump (the controlled variable is called subcooling) are addressed, studying the dynamics of the evaporator and condenser, in specific selected operating points, chosen by means of a specific algorithm. For both the heat sources that have been analyzed, the manipulation of the condensation pressure is shown to be not only recommendable, but it is necessary, in order to ensure component safety and high standards of performance of the system. The utilization of the condensation pressure as and additional manipulated variable leads to the definition of a MISO (Multiple Input Single Output) problem to control the subcooling at the inlet of the pump and, consequently, to improve performance. Another potential control improvement is identified in the utilization of a deep neural network, trained on-line, to replace the weighting estimators and determine, in an adaptive way, a representative model to design the controller.