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Focus sur la récupération d’énergie thermique

GLAVATSKAYA YuliaSHONDA Osoko PROPRIÉTÉ RENAULT

JOURNEE SIA15/03/2011

Sommaire

Introduction : les enjeux des Sciences Thermiques d ans les Transports

Les différents principes de la Conversion d’Energie Thermique

Les perspectives dans l’automobile

Spécificités et contraintes de l’automobile

La thermoélectricité

Le cycle de Rankine

JOURNEE SIA15/03/2011 2PROPRIÉTÉ RENAULT

GLAVATSKAYA YuliaSHONDA Osoko

Le cycle de Rankine

Intégration d’un système de conversion d’énergie da ns l’environnement automobile

Conclusions et perspectives

Sommaire






Le cycle de Rankine



Le cycle de Rankine



Prévisions sur le changement climatique

Modélisation 3D

Impact de l’activité humaine sur le changement climatique



1750

source : GIEC, www.ipcc.ch

Mesures contraignantes pour réduire les émissions des gaz à effet de serre(GES) :

Ratification du protocole de KYOTO en 2005 : (2008-2012 : - 5% d’émissions / 1990)

Grenelle 2 : (1990-2020)

Les évolutions du contexte automobileLes évolutions du contexte automobile

2011 - 20142009 - 2010 2015 - 2020

130g CO130g CO22/km /km 95 g CO95 g CO22/km /km

Euro 4 Euro 4 55 Euro 5 Euro 5 66 Euro 6 Euro 6 7 ?7 ?

Véhicules avec MCI optimisé

Apparition de nouvelles contraintes règlementaires fortes

Emissions

CO2

Climatisation GWP < 150 GWP < 150 GWP ? GWP ?



Véhicules hybrides

GMPe : contrôle en température, gestion conso

Véhicules avec MCI optimisé

Gestion Thermique : couplage des circuits et des fl uides

Evolution des motorisations

Evolution des fonctions thermiques sous contrainte économique

Amélioration MCI (diesel, essence) : downsizing, EGR HP/BP…

Véhicules électriques

Parois chambrede combustion

Gaz échappement

Sortie chambre

Carburant

Gaz d’échappement à l’extérieur

Huile Liquide de refroidissement

Matière

Bilan d’énergie d’un véhicule thermique conventionnel

Rejeté vers air

ambiant



Frottements

Arbre moteur

Carburant Huile

Principe: valorisation des calories perdues en puissance mécanique ou électrique

Aérodynamique

Resistance

au roulement

Freinage

Habitacle Auxiliaires

Transmission

www.gapa-pieces-auto.com

Sommaire






Le cycle de Rankine



Le cycle de Rankine



Détente directe

Cycles thermodynamiques

Stirling

Principes de conversion d’énergie thermique

Machine

Source chaude

W

Turbocompound



Cycles thermodynamiques

Thermoélectricité

Ericsson

RankinePuits froid

Seebeck

Cycle de Ericsson

froidQ•

Diagramme PV

D C

R

D – détendeur

1 2

3

4

P

12 43chaudQ

•

échappement

admission



Cycle/Phase Compression Admission Détente Echappemen t

Ericsson (1er, 1833) adiabatique isobare adiabatique isobare

Ericsson (2ème, 1853) isotherme isobare isotherme isobare

John Ericsson (XIXe)

D – détendeur

C – compresseur

R - régénérateur

4

V

Cycle de Stirling

Diagramme PV Principe de fonctionnement

1

2

3

P

écha

ppem

entad

mis

sion



Robert Stirling (XIXe) http://www.moteurstirling.com

Les contraintes pour l’automobile :

Manque de souplesse en fonctionnement dynamique

Echangeurs de chaleur volumineux

Etanchéité à assurer

4

V

écha

ppem

ent

Détente directe: Turbocompound

Turbocompound mécanique

MAIS plage d’utilisation restreinte : dégradation du rend ement du moteur en charge partielle

Turbocompound électrique («boost»)



www.cummins.com Caterpillar Engine Research

Mécanique Electrique

Turbine de détente

Matériau TE type p Matériau TE type n

-+

-

--

-

+

+

+

+

cR

Source chaude

Source froide

Gradient

Effet Seebeck

Seebeck (1821): génération d’électricité par effet thermoélectrique (TE)

Puissance

I



Gradient

thermique

TZTλρ

α⋅

=2

ρ - résistivité électrique, (Ω)

λ - conductivité thermique, (W.m-1.K-1)

Deux groupes de matériaux TE :

Matériaux basses températures (BT<250°°°°C)

Matériaux hautes températures (HT<700°°°°C)

Puissance

électrique

www.its.caltech.edu

α - coefficient de Seebeck, (V.K-1)

ZT– facteur de mérite adimensionné

Cycle de Rankine

Diagramme T-s de l’eau

Turbine G2 3

4

5

chaudQ•

•

chaudQ•

P

1’



Cycle/Phase Compression

1 – 1’

Évaporation

1 - 4

Détente

4 - 5

Condensation 5 - 1

Rankine idéal isentropique isobare isentropique isobare

William Rankine (XIXe)

1

5

froidQ•froidQ

• 1’

Applications stationnaires du cycle de Rankine

Centrales électriques : pétrole, charbon, nucléaire …

Nucléaire Géothermie

~1MWe~1300MWe



http://www.geothermie-perspectives.frhttp://fr.wikipedia.org

micro génération cogénération

Sommaire

Introduction: les enjeux des Sciences Thermiques da ns les Transports





Le cycle de Rankine



Le cycle de Rankine


Conclusions

Prestations


Plaisir de conduite

Performances / Agrément

Sécurité

Visibilité

Vie à bord

Confort thermique

Coût de l’utilisation

Fiabilité

Respect de l’environnement

Consommation / Emissions

ComposantsHabitacle, poste de conduite

HVAC

Sièges

Volant

Vitrages

Planche de bord

Calculateur

ThermiqueApproche Multi -Physique



Habitacle,poste de conduite,

sièges

Sous- caisse

Compartiment moteur

Périmètre

Compartiment moteur

GMP, GMPE

Circuits refroidissement / AC

Fluides (air, eau, huile, réfrigérant)

Echangeurs

Sous-caisse

Batteries

Echappement

Approche Multi -Physiqueet Système


Le démarrage à froid accélérer

la mise en température de l’habitacle – calories en climat froid, frigories en climat chaud (confort)

le dégivrage et le désembuage des vitres (visibilité / sécurité)

la montée en température du moteur pour réduire les frottements et optimiser la combustion (réduction consommation / émissions)

l’obtention de la température d’amorçage du système de post-traitement (dépollution)

LES DEUX CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT



Le fonctionnement à chaud maintenir

un bon refroidissement des composants et des fluides sous toutes les conditions de roulage (fiabilité)

les températures optimales (confort, visibilité, consommation, émissions, performance)


LES PHASES TRANSITOIRES ET LA DYNAMIQUE

les phases transitoires sont fréquentes

Trajets courts : 50% des trajets durent moins de 5 mn

l’usage véhicule :

Les échanges convectifs avec l’air extérieur sont variables



Le couple / régime variable

LE DEVELOPPEMENT A L’INTERNATIONAL satisfaire

des conditions climatiques extrêmement variables en température , ensoleillement, humidité relative, et poussières

Moyenne = 8 km/h - Pic = 32 km/hMoyenne = 18 km/h - Pic = 57 km/h

Cycles d’usage clients: exemple

URBAIN

0

10

20

30

40

50

60

70

0,000 200,000 400,000 600,000 800,000 1000,000

temps (s)

km/h

EMBOUTEILLAGE

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

0,000 200,000 400,000 600,000 800,000 1000,000

temps (s)

km/h



Moyenne = 8 km/h - Pic = 32 km/hMoyenne = 18 km/h - Pic = 57 km/h

Moyenne = 119 km/h - Pic = 150 km/h Moyenne = 61 km/h - Pic = 111 km/h

AUTOROUTIER

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0,000 200,000 400,000 600,000 800,000 1000,000

temps (s)

km/h

ROUTIER

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

0,000 200,000 400,000 600,000 800,000 1000,000

temps (s) km

/h

ENERGIE

Récupération ou conversion d’énergie : technologies

Energies utilisées

Echangeur Chaleur

Thermoélectricité ElectricitéEch

appe

men

t~

33%~33%

Valorisation des rejets

~33%



Cycle Thermodynamique Energie Mécanique ou électrique

~33

%

~33%

Source chaude : où récupérer ?

carburant

échappement

Gaz d’échappement

Silencieux



admission

Eau de refroidissement

Echangeur

Radiateur

Exemple Diesel

0.5

0.55

0.6

Ratio "Exergy / Thermal Power" Upstream Turbine [-]

250

300

0.45 0.5

0.50.5

0.5

Ratio "Exergy / Thermal Power" Downstream Catalyst [-]

250

300

Amont turbine Aval post-traitement

Potentiel de récupération de l’énergie

Gaz d’échappement

Sources chaudes



0.3

0. 35

0.4

0.4

0.45

0.45

0.45

0.45

0.5

0.5

0.5

0.5

0.55

0.55

N [rpm]

C [

Nm

]

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 65000

50

100

150

200

0.250.3 0.35

0.35

0.4

0.4

0.4

0.4

0.45

0.45

0.45

0.50.50.50.5

N [rpm]

C [

Nm

]

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 65000

50

100

150

200

Sources froides

Ech

ange

ur S

R

Con

d. C

lim.

Rad

iate

ur

Aér

othe

rme

Rad

iate

ur

Bloc

Air ambiant Eau de refroidissement moteur

Con

d. C

lim.

Ech

ange

ur S

Rair



Ech

ange

ur S

R

Con

d. C

lim.

Rad

iate

ur

air

Aér

othe

rme

Rad

iate

ur

Bloc moteur

eau

Con

d. C

lim.

Ech

ange

ur S

R

SR – système de récupération d’énergie

Sommaire






Le cycle de Rankine



Le cycle de Rankine


Conclusions

Thermoélectricité dans l’automobile : Optimisation / Enjeux

Etude matériaux

non toxicité, ressources disponibles, flexibilité

procédé de mise en forme des matériaux

performances : ZT et plage de température

GazAssociation de matériaux

adaptés à différentsniveaux de T °°°°

Eau

Puissance électrique



performances : ZT et plage de température

Performance globale du système

efficacité des échangeurs et performance des matériaux

tenue mécanique

Impact sur la Contre Pression Echappement

Gestion de l’énergie produite

Coût / gain conso (cycle client, type de véhicule)

Sommaire






Le cycle de Rankine



Le cycle de Rankine


Conclusions

Rankine dans l’automobile

Choix

source de chaleur

source froide

fluide de travail

récepteur d’énergie

Optimisation



Optimisation

composants

modèles (boucle, composants, système / véhicule)

intégration (boucle, sources chaude et froide, véhicule)

gestion de l’énergie produite

Coût / Gain conso (système, type de véhicule)

Système de Rankine : Concepts possibles

Ｐ

Ｐ

GD

Ｐ

Post-traitement

G D

Ｐ

Ｐ

HT

MT

G

G

D

D

Haute T°°°°C

nouveaux composants

Technologie existante

Moyenne T°°°°C

Récupération optimisée

Complexité

Très haute T°°°°C



Ｐd

C

D

Post-traitement

Ｐ

D

Ｐ GD

Ｐ GD

Complémentaire échappement

Moyenne T°°°°C

Simplification

Conflit avec la climatisation

T°°°°C

Post-traitement pénalisée

Stockage thermique

Complexité


Haute Température

Post-traitement

Échappement

Moteur



D – machine détente

P – pompe

G – génératrice

Ｐ

Source froide

G D


Moyenne Température

Refroidissement

Ｐ

Moteur



D – machine détente

P – pompe

G – génératrice

Ｐ

Source froide

GD

Double récupération


Source froideＰRefroidissement

Moteur



D – machine de détente

P – pompe

Post-traitement

D

Échappement

Au plus près du moteur


Moteur




P – pompe

G – génératrice

Ｐ

Source froide

GD

Evaporateur - stockeur


Échappement

Moteur




P – pompe

G – génératrice

Ｐ

Source froide

GD

Cascade


Ｐ

Échappement

HT GDMoteur




P – pompe

G – génératrice

ＰRefroidissement

MT

GD

Source froide

Couplage avec la climatisation : condenseur commun


Source chaudeＰd

Climatisation Rankine

Air habitacle



CD


d - détendeur

C - compresseur

P – pompe

G – génératrice

Architectures mécaniques possibles

Travail électrique

ＰD

Echappement

G

Travail mécanique

Ｐ

Source froide

D

Echappement

Moteur

Moteur



Source froide

Source froide

ＰD

Echappement

G

Source froide

Travail électrique / pompe mécanique

Moteur

Spécification du fluide de travail

Bonne capacité de transfert de chaleur

Moindre influence sur l’environnement (GWP, destruc tion d’ozone… )

Non inflammable

Non corrosif

Non toxique

Bas coût



Bas coût

Fluide sec Fluide humide

Types de fluide

Détente Sèche

Détente Humide

Fluide de travail

Fluides possibles : NH 3, Eau, fluides organiques

! CFC: Protocole de Montréal

Performances :

Fluide organique : Tchaud<400°°°°C

L’eau : Tchaud>400°°°°C MAIS gel, corrosion, lubrification, faible viscosité



Source: B.Aoun, 2010, Ecole des Mines de Paris

ηexp=1, ηp=1, ∆T=10K; ∆T=25K pour l’eau

Composants: échangeurs de chaleur

Evaporateur/Condenseur dans l’automobile

Échangeur à plaques (échangeurs A/C)

Tubes/ailettes (radiateur face avant)

Tubes/calandre (EGR à eau)



Source:ibluegroup.org/Equipments.aspx Source: commons.wikimedia.org/wiki/File:U-tube_heat_e...Source: wapedia.mobi/fr/Radiateur

Composants: machine de détente

Scroll

Pistons

Turbine

Critères du choix: lubrification, taille, taux de d étente, viscosité du fluide, débit …

Analogie avec technologie

compresseur climatisation



fluide, débit …

Source: ULG Source: www.amovis.de/en/index.htm

Composants: machine de détente

Principe de fonctionnement

P

s=const

1 2

s=const

6

P0

Psu

P0

P

s=const

1 2

s=const

6

Psu

6’

P

s=const

1 2

s=const

Psu

Machine à pistons Scroll



Compression du fluide résiduelDétente isentropique VVsVc

V=const3

45

s=const

VVsVc

3

45

s=const

3’P’ex

Pex

P’ex

VVs

3

45

s=const

3’P’ex

Pex

P’ex

Pex

P’ex

Détente isentropique

Composants: Pompe

Volumétrique Dynamique

Non lubrifiée Lubrifiée

Pompe



Alternatif Rotatif

Pistons

Membrane

Lobes

Palettes

Vis

Non lubrifiée Lubrifiée

Modélisation du système Rankine

Echangeurs :

Trois zones d’échange

Estimation des coefficients d’échange

Estimation des pertes de charge : Attention CPE (Contre Pression Echappement)

Méthode ε-NTU: estimation de la taille d’échangeur

( )TTCmQ −⋅

=

••εT Evaporateur



max

•

•

=Q

Qε

( )efehp TTCmQ ,,min

−⋅

= ε

min

⋅=•

pCm

AUNTU

Liquide L+V Vapeur

Th,e

Tf,e

Tf,s

Th,s

T

Source chaudeFluide de travail

A – surface d’échange totale de l’échangeurU – coefficient d’échange globalε – efficacité globale

•Q

Evaporateur


Pompe

TsPs

P

Rendement isentropique

Puissance réelle de la pompe

Puissance isentropique de la

pp

isppis W

W ,=η

ppW•

•



•m

TePe

Puissance isentropique de la pompe

Rendement mécanique

Rendement volumétrique

isppW ,

•

mécη

volη


Machine de détente

∆P : pertes de charge à l’entrée / sortie de la

machine

: échange par convection avec la paroi

e2-s2 : détente du fluide

détente isentropique

détente à volume constant

S=cnst V=cnst

e

e1

e2 s2 s1

s

∆Pe ∆Ps

eQ•

sQ•

exp

•W

Frontière du système

ehm•

shm•

se QQ••

;



Bilan d’énergie

Bilan des pertes

détente à volume constant

: échange de chaleur avec l’ambiance

0=−+−••••

ambsef QQQW

ambQWhm•••

−=∆ exp

e – entrée

s – sortie

ambQ•

ambQ•

Paramètres du système


gazm•

Evaporateur

P

Tgaz (°°°°C)(kg/s)

∆Tev (°°°°C)

Mf (kg/s)

Pf, su (Pa)

P (Pa)

Npp (1/min)Nexp (1/min) D G



Gain: jusque 10% selon l’usage (embouteillage, urba in, route, autoroute), l’architecture ( source chaude , source froide, … ) et le concept

Condenseur

Tcw ou Tair (°°°°C)

(kg/s)

Pf, ex (Pa)

cwm•

Paramètres externes

Paramètres internes

Aa

Aa

Sommaire






Le cycle de Rankine



Le cycle de Rankine



Intégration d’un système de conversion d’énergie

Doit prendre en compte :

La phase de montée en température moteur et de mise en température de l’habitacle

L’efficacité du système de post-traitement

La gestion thermique globale et l’interaction avec les autres systèmes



La gestion thermique globale et l’interaction avec les autres systèmes

L’impact sur l’architecture, le poids et le coût

La Contre Pression Echappement

L’utilisation de l’énergie produite

Sommaire






Le cycle de Rankine



Le cycle de Rankine

Couplage d’un système de conversion d’énergie dans l’environnement automobile



Rankine

Choix du fluide de travail : performance, fiabilité, sécurité, …

Composants : machine de détente, échangeurs thermiques, …

Système : contrôle

Seebeck

Matériaux thermoélectriques (performance, dopage, conductivités, non toxicité, ressources disponibles, flexibilité)

Procédé de mise en forme

Optimisation couplage échangeurs –matériaux TE



Optimisation couplage échangeurs –matériaux TE

Intégration dans le véhicule : masse, encombrement, interaction avec les autres systèmes véhicule

Gestion thermique globale : localisation sources ch aude et froide, énergie produite, …

Coût

2/3 énergie perdue vers l’extérieur

Valorisation: convertir l’énergie perdue en travail utile (mécanique ou électrique)

Gain en consommation et puissance additionnelle

Complémentaire de la récupération de l’énergie de f reinage




Complémentaire de la récupération de l’énergie de f reinage

S’intègre dans le concept global thermique (couplag e)

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