Caractérisation et optimisation d’un prototype de...

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Caractérisation et optimisation d’un prototype de générateur thermoélectrique A. Nour Eddine 1 D. Chalet 1 X. Faure 2 L. Aixala 3 1 Ecole Centrale de Nantes, LHEEA lab. (ECN/CNRS), Nantes, France 2 CEA Tech NantesDistrict of Pays de la Loire, Bouguenais 44340 France 3 CEA Grenoble - Thermoelectric Laboratory, Grenoble 38000, France JNTE 2018 - Journées Nationales de la Thermoélectricité 2018 Grenoble - Octobre 17-19 2018
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    13-Jul-2020
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  • Caractérisation et optimisation d’un prototype de générateur thermoélectrique

    A. Nour Eddine1 D. Chalet1 X. Faure2 L. Aixala3

    1 Ecole Centrale de Nantes, LHEEA lab. (ECN/CNRS), Nantes, France 2 CEA Tech Nantes– District of Pays de la Loire, Bouguenais 44340 France

    3 CEA Grenoble - Thermoelectric Laboratory, Grenoble 38000, France

    JNTE 2018 - Journées Nationales de la Thermoélectricité 2018

    Grenoble - Octobre 17-19 2018

  • PLAN

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 2

    1. Contexte

    2. Introduction

    3. Objectifs

    4. Matériels & Méthodes

    5. Résultats & Analyses

    6. Perspectives

  • Contexte

    Modélisation et Optimisation d’un Système d’Energie à l’Echappement des Moteurs de Navires Utilisant la Thermoélectricité (Effet Seebeck)

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018

    Acteurs CEA Tech – Grenoble ECN - Thermodynamique des systèmes moteur CEA Tech – Nantes

    Compétences

    Apport • Expertise dans les matériaux TE

    • Fourniture de prototypes et de modules TE

    • Expertise dans le domaine moteur

    • Montage et instrumentation du banc d’essai moteur

    • Plateforme d’énergie marine et showroom

    • Contact avec les clients potentiels dans la région

    3

  • Contexte

    Objectives

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018

    Conception et optimisation d’un TEG lors de l’intégration sur un vrai moteur

    Modélisation

    Réalisation d’une analyse physique du comportement de différents composants du TEG avec les gaz d’échappement

    Réalisation d’un modèle du TEG en utilisant GT-Suite pour tester de potentielles futures applications grande échelle (application maritime)

    Conception et fabrication d’un Démonstrateur mobile permettant de caractériser le TEG dans une vraie intégration moteur

    Expérimental

    Conception des bancs d’essais permettant de caractériser les composants du TEG sur les points de fonctionnement moteur ainsi que valider les modèles.

    Phase I

    Phase II

    4

  • Contexte

    Introduction

    App. Maritime

    App. Automobile

    Banc Moteur

    Etapes du projet

    Objectifs

    Matériels & Méthodes

    Résultats

    Perspectives

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 5

    Pourquoi l’application Marine?

    Grand enjeu économique

    > Sensibilité forte du secteur maritime au prix du carburant

    > Une réduction de consommation de 1 %↔ 50,000$ d’économie pour un trajet entre

    Europe et l’Asie

    5%

    9%

    13%

    1%

    1%

    50%

    21%

    Cout opérationnel des navires[5]

    Equipage

    Entretien

    Assurance

    Stockage

    Administration

    Fuel

    Frais du port

    [5] Stopford M. Maritime economics. Routledge; 2009

  • Contexte

    Introduction

    App. Maritime

    App. Automobile

    Banc Moteur

    Etapes du projet

    Objectifs

    Matériels & Méthodes

    Résultats

    Perspectives

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 6

    Solution Adoptée

    Réduction de la vitesse des navires

    > Réduction de vitesse du navire et réduction de consommation proportionnelles à l’ordre 3

    𝐹𝐶𝑣0 = 𝐹𝐶𝑣1 .𝑣0

    𝑣1

    3,3 𝑎𝑣𝑒𝑐 𝑣0 > 𝑣1

    [7]

    > Réduction de vitesse de 10% ↔ ↓ 27% de CO2/unité de temps et 19%/unité de distance.

    © Olesya Menshchikova and “Crazy About Shipping”, 2014 © Olesya Menshchikova and “Crazy About Shipping”, 2014

    [7] Notteboom T 2009

  • Contexte

    Introduction

    App. Maritime

    App. Automobile

    Banc Moteur

    Etapes du projet

    Objectifs

    Matériels & Méthodes

    Résultats

    Perspectives

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 7

    Solutions possibles

    WHRS Turbocompound Cycle Rankine Thermoélectricité (TEG)

    Taille/Intégration 😐 😊

    Maintenance 😐 😊

    Rendement 😐 8-10 % 😊 ~12% < 2%

    Maturité Commercialisé Commercialisé R&D

    Turbo-compound combiné sur un moteur Marin

    [Ichiki 2011]

    Siemens Module ORC pour moteur Marin [Siemens

    2014]

    Schéma d’un TEG intégré dans un tube cylindrique

    [Georgopoulou 2016]

    TEG: Générateur Thermoélectrique

  • Contexte

    Introduction

    App. Maritime

    App. Automobile

    Banc Moteur

    Etapes du projet

    Objectifs

    Matériels & Méthodes

    Résultats

    Perspectives

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 8

    Proto de la Littérature

    Application Moteur: Automobile

    500 W TEG devéloppé dans le projet

    HeatReCar [Magnetto 2013] 680 W TEG devéloppé dans le projet

    Gen 3 [Bell 2010] 273 W TEG devéloppé dans le projet

    RENOTER II [Navone 2017]

  • Contexte

    Introduction

    App. Maritime

    App. Automobile

    Banc Moteur

    Etapes du projet

    Objectifs

    Matériels & Méthodes

    Résultats

    Perspectives

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 9

    Pourquoi Faire les Etudes sur un Moteur Automobile?

    Les moteurs marins (>5-7L de cylindrée) ne sont (à ce jour) pas adaptés à

    l’échelle laboratoire LHEEA

    SEYMOUR, Ind. – Cummins Inc. Moteur QSK95 avec une puissance de ≈ 3 MW

    Moteur 12K98MC de Man-Diesel Moteur 2 temps de puissance ≈ 68 MW

  • Contexte

    Introduction

    App. Maritime

    App. Automobile

    Banc Moteur

    Etapes du projet

    Objectifs

    Matériels & Méthodes

    Résultats

    Perspectives

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 10

    Comment atteindre notre objectif final

    Etapes du projet: > Utilisation des banc d’essais effets de différents paramètres moteurs sur les performances du TEG

    > Création d’un modèle de simulation tester les performances du TEG lors d’un vrai fonctionnement

    moteur (validé expérimentalement)

    > Dimensionnement du TEG pour une application à un moteur Marin

    Banc d’essais moteur GT-Suite Données moteur marin

    TEG Pour une application

    moteur marin

    Etude analytique

  • Contexte

    Introduction

    Objectifs

    Matériels & Méthodes

    Résultats

    Perspectives

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 11

    Situation vis-à-vis la bibliographie

    WHRS avec cout mini ↓ €/W

    Optimisation du TEM Optimisation de l’échangeur Caractérisation du système

    Développement de

    matériaux thermoélectriques

    à haute performance

    Utilisation des TEM adaptés

    aux applications moteurs.

    © Rull-Bravo et al. 2010

    Amélioration du transfert

    thermique en utilisant des

    ailettes internes.

    Limiter les pertes de charges à 30 mbar

    © Magnetto et al. 2013

    Etude approfondie du

    comportement du TEG lors

    d’une application moteur.

    Effet de la pression de

    serrage

  • Contexte

    Introduction

    Objectifs

    Matériels & Méthodes

    Etude Analytique

    TEG

    Modules TE

    Dispositifs expérimentaux

    Résultats

    Conclusion

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 12

    Effet de la pression de contact Contexte

    Air chaud

    TPi

    Tc

    Φcond,hc

    Pression de contact > Puissance électrique ∩ Transfert thermique

    𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐.𝑚𝑎𝑥 =𝛼2 𝑇𝑐 − 𝑇𝑓

    2

    4. 𝑅𝐼 ∅𝑐𝑜𝑛𝑑 = ℎ𝑐 × 𝑆𝑐 × (𝑇𝑃𝑖 − 𝑇𝑐)

    > Transfert thermique ∩ Pression de contact

    1

    ℎ𝑐=

    𝜎𝑠1,55 𝑘𝑠𝑚𝑠

    𝑝 2

    𝐸′𝑚𝑠

    −0,94

    Model de Mikic [1]

    > Pression de contact ∩ Puissance électrique

    88.188.12

    94.0

    94.0

    22

    max.'

    2

    55.1)'(8.5877

    )(

    4

    )(

    p

    mEmkSp

    mEmkSR

    TT

    R

    TTP

    sss

    s

    c

    cond

    ssscI

    scondchei

    I

    heih

    elec

    𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐.𝑚𝑎𝑥 = 𝑎 + 𝑏 × 𝑝−0,94 + 𝑐 × 𝑝−1,88

    [1]

  • Contexte

    Introduction

    Objectifs

    Matériels & Méthodes

    Etude Analytique

    TEG

    Modules TE

    Dispositifs expérimentaux

    Résultats

    Conclusion

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 13

    Générateur thermoélectrique

    Echangeur côté chaud

    Echangeur côté froid

    Système de bridage

    Modules Thermoélectriques

    (TEM)

    Si80Ge20 Bi2Te3

  • Contexte

    Introduction

    Objectifs

    Matériels & Méthodes

    Etude Analytique

    TEG

    Modules TE

    Dispositifs expérimentaux

    Résultats

    Conclusion

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 14

    Modules Thermoélectriques

    Propriétés des TEM (Données fournisseurs)

    Thermo-

    Gen AB

    HotBlock

    OnBoard

    Type des matériaux Bi2Te3 Si80Ge20

    Propriétés thermiques

    Température côté chaud, °C 350 580

    Température côté froid, °C 23 80

    Conductivité thermique, W/K 3 0.53

    Propriétés électriques

    Puissance, W 2,1 ± 6% 3.6 ± 6%

    Résistance interne, Ohm 0.063 ± 6% 0.48 ± 6%

    Courant, A 5.6 ± 5% 5.53 ± 5%

    Tension circuit ouvert, V 0,73 ± 5% 2.6 ± 5%

    Rendement, % - 2.6

    Si80Ge20

    Bi2Te3 TEM de

    ThermoGen AB

    Si80Ge20 TEM de

    HotBlock OnBoard

    0

    0,2

    0,4

    0,6

    0,8

    1

    1,2

    0 200 400 600 800

    ZT

    Temperature (°C)

    Bi2Te3 Type p

    Bi2Te3 Type n

    Si80Ge20 Type p

    Si80Ge20 Type n

    Bi2Te3 16x16x6.8 mm3 20x24x7.1 mm3

  • Contexte

    Introduction

    Objectifs

    Matériels & Méthodes

    Etude Analytique

    TEG

    Modules TE

    Dispositifs

    expérimentaux

    Résultats

    Conclusion

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 15

    Banc d’organes: TEG Triple Tube

    Dispositifs expérimentaux

  • Contexte

    Introduction

    Objectifs

    Matériels & Méthodes

    Etude Analytique

    TEG

    Modules TE

    Dispositifs

    expérimentaux

    Résultats

    Conclusion

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 16

    Banc d’organes: TEG Triple Tube

    Démarches expérimentales

    Points de fonctionnement moteur Banc à air chaud

    Points de

    fonctionnement

    (PdF)

    Vitesse

    (tr.min-1)

    Charge

    (N.m)

    Température

    sortie turbine

    (°C)

    Débit gaz

    (g.s-1)

    Température

    d’air (°C)

    Débit air

    (g.s-1)

    1 1000 0 107 14.11 107 14.1

    2 1250 0 129 16.4 129 16.5

    3 1250 25 194 15.76 194 15.7

    4 1000 30 198 13.66 199 13.5

    5 1000 45 243 13.88 244 13.9

    6 1000 60 296 13.95 297 14

    7 1000 75 340 14.01 340 14

    8 1000 90 379 14.51 379 14.5

    > F1=105.7 N (σ1=0.26 MPa) > F2=123.4 N (σ2=0.31 MPa) > F3= 141 N (σ3=0.35 MPa) > F4=158.6 N (σ4=0.4 MPa)

  • Contexte

    Introduction

    Objectifs

    Matériels & Méthodes

    Résultats

    Perspectives

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 17

    Résultats & validations

    Résultats expérimentaux

    Une pression de contact optimale est confirmée sur 8 points de fonctionnement moteur en

    utilisant les modules Si80Ge20

    Jusqu’à 4 fois plus de puissance avec la pression optimale

    0,35

    Mpa

  • Contexte

    Introduction

    Objectifs

    Matériels & Méthodes

    Résultats

    Perspectives

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 18

    Perspectives

    Outils de conception et optimisation pour toute application possible

  • Dr. A. Nour Eddine

    [email protected]

    linkedin.com/in/anoureddine

    + 33 7 81 88 07 97

    + 33 2 40 37 90 53

    Merci Pour votre Attention

    A. Nour Eddine | JNTE 2018 |18 Oct. 2018 19